CN109247227B - 一种基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒，该控制盒主要以STC15系列单片机或带WIFI的单片机ESP‑12为内部处理控制，还包括泥土湿度检测电路、蠕动泵驱动电路、3位LED数码管以及下按键和上按键；进一步的还包括WIFI连接手机或电脑。控制盒插上湿度传感电极及蠕动泵就构成了自动浇水装置。设计了一屏二键的泥土湿度控制操作法，优选了交流激励测泥土电阻的高交流电压读取电路、及ESP‑12带WIFI单片机配NODEMCU的LUA脚本语言编程固件，恰到好处地构成了这一整套经济适用装置，还包括WIFI连接手机或电脑所带来的方便与直观、以及用MQTT物联网轻量级协议实现的远程监控。

Description

一种基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒

技术领域

本发明涉及种植设备领域、自动控制及WIFI物联网领域，尤其涉及一种基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒。

背景技术

花盆自动浇水控制装置多见于临时搭建的测控系统或定时定量浇水装置，专业领域则以农业灌溉设备为主。便携、使用简单的家用小巧型泥土湿度监控设备很少见到。虽然最近也有用印刷电路板带芯片的泥土湿度检测插片设计出来，但它易被泥土腐蚀、连线多、成本高、不适合快餐盒或奶茶杯这种小盆密植型未来家庭趣味种植的大量应用。

发明内容

本申请以现代单片机、特别是带WIFI的单片机、数码管构建了一套基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒。

本发明所采用的技术方案如下：一种基于湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒，该控制盒主要以STC15系列单片机或带WIFI的单片机ESP-12为内部处理控制，还包括泥土湿度检测电路、蠕动泵驱动电路、3位LED数码管、下按键、上按键、两根湿度传感电极碳棒、蠕动泵和开关电源；

两根湿度传感电极碳棒分开竖直埋在花盆两侧，经两根湿度传感电极连线及湿度传感电极连线插头连接控制盒中的泥土湿度检测电路；蠕动泵浇水通过蠕动泵浇水管引水到花盆，蠕动泵供电线插头连接蠕动泵驱动电路；控制盒由电源进线插头连接220V供电；控制盒通过3位LED数码管显示当前泥土湿度，当泥土干燥度达到上阈值即启动断续自动浇水，经过不到半小时的泥土湿度检测，停止自动浇水使泥土湿度稳定在下阈值；即定义上下阈值为：种植泥土适合的干湿范围的端点值；

所述控制盒中单片机的若干IO口接3位LED数码管及下按键和上按键，单片机的一个IO口输出方波接泥土湿度检测电路的输入端，单片机的ADC输入口接泥土湿度检测电路的输出端；单片机的若干输出口还接若干路蠕动泵驱动电路；单片机的电源+端及蠕动泵驱动电路的+端分别接开关电源的+3.3V输出及+12V输出；负极全接地；

所述下按键和上按键操作法如下：

上按键设有操作功能如下：长按，即按住不放1秒以上，加水，放开即停止加水；短按，即按住不超过半秒，显示上阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示；进入上下阈值设置模式时，有上阈值设置模式指示灯或下阈值设置模式指示灯亮，此时短按为数值增加、长按为阈值保存，并退出阈值设置模式，阈值设置模式指示灯灭，数值显示恢复当前湿度显示；

下按键设有操作功能如下：短按，即按住不超过半秒，显示下阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示；进入上下阈值设置模式时，短按为数值减小；长按，即按住不放1秒以上，为进入上阈值设置模式，再长按进入下阈值设置模式，依次轮换，有对应的上阈值设置模式指示灯或下阈值设置模式指示灯亮、及上阈值或下阈值显示；阈值设置模式中10秒无操作自动退出；

下阈值设置0表示关闭浇水，下阈值设置1表示一直开着浇水；

所述泥土湿度检测电路包括三极管Tr、二极管D、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C、电容C1；单片机输出的PWM方波信号端接电阻R3的一端，电阻R3另一端接三极管Tr的基极，三极管Tr的集电极接电阻R1，电阻R1的另一端接+12V，同时三极管Tr的集电极还接保护电阻R0，电阻R0的另一端分别与接隔直电容C的一端和峰值整流二极管D的正极连接在一起，记为T点；隔直电容C的另一端接湿度传感电极碳棒的一极，湿度传感电极碳棒的另一极、Tr发射极、滤波电容C1一端、负载电阻R2一端均接地，峰值整流二极管D的负端、负载电阻R2的另一端、滤波电容C1的另一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接单片机ADC输入端；

或，所述泥土湿度检测电路包括时基电路NE555、二极管D、二极管D5、电阻R4、电阻R5、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C5、电容C、电容C1；NE555的2、6脚及电容C5、电阻R4、电阻R5的一端连接在一起，电阻R5另一端接二极管D5的正极，二极管D5的负极、电阻R4另一端以及NE555的3脚连接在一起，NE555的8脚与电阻R1一端连接在一起接+12V，电阻R1另一端、电阻R0一端以及NE555的7脚连接在一起，电阻R0另一端分别与接隔直电容C一端和整流二极管D正极连接在一起，记为T点，隔直电容C的另一端接湿度传感电极碳棒的一极，湿度传感电极碳棒的另一极、电容C5的另一端、NE555的1脚、滤波电容C1一端以及负载电阻R2一端均接地，峰值整流二极管D的负端、电阻R2的一端、滤波电容C1的一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接单片机ADC输入端；

所述湿度传感电极碳棒为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该导电金属圈压接或焊接湿度传感电极连线，并在该导电金属圈外涂敷树脂或塑封；

或所述湿度传感电极碳棒为碳棒的一端头电镀一层金属，在该金属镀层焊接湿度传感电极连线，并对该金属镀层及焊接线根部包敷塑胶或灌封树脂；

所述蠕动泵驱动电路包括NPN三极管T8、P型MOS管pMos、二极管D8、电容C8、电阻R8、电阻R81、电阻R82；单片机一个输出口接电阻R8，电阻R8另一端接NPN三极管T8基极，NPN三极管T8集电极接电阻R82的一端，电阻R82另一端及电阻R81一端均接P型MOS管pMos栅极,电阻R81另一端和P型MOS管pMos源极连在一起接+12V强电，P型MOS管pMos漏极分别接泵供电线插头的一端、二极管D8负端和电容C8一端，泵供电线插头的另一端、二极管D8正端、电容C8另一端以及NPN三极管T8发射极均接地；

或所述蠕动泵驱动电路包括N型Mos管、二极管D8、电容C8、电阻R8；单片机一个输出口接电阻R8，电阻R8另一端接Mos管栅极，Mos管源极接地，Mos管漏极分别接泵供电线插头的一端、二极管D8正端和电容C8一端，泵供电线插头的另一端、二极管D8负端和电容C8另一端连接在一起接+12V强电；

当控制盒以带WIFI的单片机ESP-12为内部处理控制时，还包括该单片机通过无线网络连接手机或电脑，所述带WIFI的单片机ESP-12配NODEMCU的LUA脚本语言编程固件，所选程序模块包括WIFI、NET、MQTT协议、SPI、GPIO口操作，远程物联网采用MQTT协议；

所述控制盒连接手机或电脑时，手机或电脑的显示界面以列表的形式逐行列出：当前湿度、上阈值、下阈值，每行对应一路；点击上阈值或下阈值随时进入直接输入数值修改；

手机或电脑WIFI连接单片机分三种联网方式：

方式1、控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12自己就是WIFI AP网页服务器，手机或电脑就连接这个WIFI，并用浏览器访问192.168.4.1即可；该方式除能监控湿度外，主要用作设置控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12，使其能连接无线路由器或可用的WIFI，包括WIFI名、密码，以及显示连上后的（DHCP）IP，供下述方式2连接用；该方式手机或电脑外网不通，所以仅用作联网刚开始时的设置WIFI名、密码；

方式2、控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12自动连接无线路由器或可用的WIFI，由上述方式1事先已设置好WIFI名、密码，并记下了连上后所显示的（DHCP）IP；手机或电脑也连接无线路由器或可用的WIFI，仅用浏览器访问记下的IP即可随时连接控制盒进行监控湿度；另外，还增加一个联网指示灯，亮表示控制盒方式2 WIFI连接成功；

方式3、控制盒包括物联网MQTT协议，手机或电脑远程通过MQTT协议连接控制盒监控湿度。

进一步的，一些品种会对泥土湿度检测电路的12V工作电压改为5V，使电阻Rl能成倍减小，以适用耐湿种植的检测；这种情况开关电源输出为12V及5V，5V经LDO型三端稳压器输出3.3V供单片机或ESP-12工作电压；

或一些品种会在泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，稳压管与电阻R2的连接点接3位数字电压表模块的测电压端，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

所述的稳压管为正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管或2.2V、3.3V的贴片稳压管。

进一步的，一些品种会将湿度传感电极连线插头与蠕动泵供电线插头合并成一个三极插头；

对于4路监控，设4个三极插孔，并增加4个当前所选路指示灯、及用于选择哪一路的选择键，该选择键与单片机的IO口相连，要切换随时按选择键，各路轮换；泥土湿度检测电路还包括四选一集成电路CD4052；从T点接CD4052公共端（A）13脚，（A0）12脚、（A1）14脚、（A2）15脚、（A3）11脚分别接4路的隔直电容C及湿度传感电极碳棒（20）中的一极，两选择脚（S0)10脚、（S1)9脚接单片机两个口，控制选择4路中的某一路；单片机的4个输出口接4路蠕动泵驱动电路。

进一步的，220V变压采用准谐振型软开关电源；12V供电具有电流限制保护功能。

进一步的，所述控制盒还增加嘀声蜂鸣器，其与单片机IO口相连，在出现异常情况会报警；在出现异常情况时，上阈值设置模式指示灯和下阈值设置模式指示灯同时闪烁或某路指示灯闪烁。

进一步的，两根湿度传感电极连线与湿度传感电极连线插头的连接处增加接插件。

进一步的，还包括总电源开关，串联在电源进线插孔的进线上。

进一步的，还可包括增加集成电路74HC595扩展单片机输出口连接3位LED数码管，单片机通过SPI接口连接74HC595的串行输入脚。

本发明的有益效果是：设计了“一屏二键”设置泥土湿度控制的控制盒，及配套的相关部件，包括交流激励测泥土电阻的高交流电压读取电路及选用带WIFI的单片机使控制盒能WIFI连接手机或电脑使操作更直观并能网络远程监控。

花盆不用底孔了，不漏水，更卫生。

因碳棒电极的小巧廉价性，无论是种前预埋、种后长期插入、或反复插拨，都不影响种植管理维护或小盆密植伤根，可让所有盆栽都插上碳棒电极，多盆轮用一套装置。

随时可显示的上下阈值就是种植泥土干湿适用范围的端点标杆值，便于科研记录分析。

对干燥型种植和耐湿型种植具有可调整适应性，对怕湿怕干的发芽、育苗种植关键环节，是严控泥土湿度的难得的经济适用装备。

ESP-12构成的WIFI联网系统具有性价比高的特点（一套不到50元），并且远程监控采用MQTT物联网轻量级协议，即使在无网络场地，仍可用廉价的4G无线小流量包（包年1G不到100元），这些恰到好处地适用到了盆栽泥土湿度（远程）监控这一典型需求上。

附图说明

图1为本发明基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒的示意图；

图2为泥土湿度检测电路图；

图3为分时切换4路检测电路图；

图4为多路控制盒的外观设置图；

图5为一种蠕动泵驱动电路图；

图6为另一种蠕动泵驱动电路图；

图7为555时基电路构成的泥土湿度检测电路图；

图中，1、3位LED数码管，2、上阈值设置模式指示灯，3、下阈值设置模式指示灯，4、下按键，5、上按键，6、湿度传感电极连线插头，7、湿度传感电极连线，8、蠕动泵供电线插头，9、蠕动泵，10、蠕动泵浇水管，11、蠕动泵进水管，12、储水罐，13、电源进线插头，14、花盆泥土，15、各路选择键，16、三极插孔，17、当前所选路指示灯，20、湿度传感电极碳棒。

具体实施方式

方便简洁的自动浇水装置部件搭建如图1所示，其中的控制盒是核心，既作泵供电适配，又包括关键的湿度控制。仅用一个3位LED数码管1带两个按键就实现了简单直观的基于湿度及上下阈值设置的自动浇水泥土湿度控制。

基于湿度及上下阈值设置的自动浇水控制的概况是：两根湿度传感电极碳棒20分开竖直埋在花盆泥土14两侧（种植体在两者中心范围，使湿度检测全面均衡），经两根湿度传感电极连线7及湿度传感电极连线插头6（可以很长）连接控制盒。控制盒由3位LED数码管1显示当前泥土湿度，当泥土干燥度达到上阈值即启动断续自动浇水，经过不到半小时的泥土湿度检测，停止自动浇水使泥土湿度稳定在下阈值（否则出错报警，例如缺水、水管堵住等）。

注意，这里的关键是“经过不到半小时的泥土湿度检测，停止断续自动浇水使泥土湿度稳定在下阈值”：不是简单的“到下阈值停止浇水”，由于泥土渗水情况变化不定，经常会屯积一处不分散下去，若浇水时简单地要等到了下阈值才停止浇水往往太迟了。因此这里的“断续自动浇水”不是连续浇水，而是根据历史浇水量及渗水反映时间浇浇停停逐步检测到位，期间特别监测渗水的加快或变慢情况，在可控的前提下使浇水时间缩短，直到泥土湿度稳定在下阈值（若不能，则报错）。这样定义的下阈值（对用户操作）当然简单省事。

这里不讨论自动浇水最优算法，也未作这方面的权利要求（最基本的方法简单说就是：逐次先少加点水，等其稳定后再比较下阈值），只是强调：这样定义的上下阈值实际上是种植泥土干湿适合范围的端点标杆值（对当前的传感电极埋法）。

控制盒配套的操作法（即基于湿度及上下阈值设置的自动浇水控制）：

上按键5用于数字增加、显示上阈值以及手动加水：

长按（按住不放1秒以上）加水，即蠕动泵得电浇水，放开即停止加水。短按，即按住不超过半秒，显示上阈值，3位LED数码管1由平时显示当前泥土湿度变为显示上阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示。若已进入了上下阈值设置模式时（有上阈值设置模式指示灯2或下阈值设置模式指示灯3亮），此时短按为数值增加；长按为将当前显示值作为新阈值保存（即设置新阈值。否则原阈值不变），阈值设置模式退出，阈值设置模式指示灯灭，3位LED数码管恢复当前湿度显示。

下按键4用于数字减小、显示下阈值及上下阈值设置：

短按，即按住不超过半秒，显示下阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示。若已进入了上下阈值设置模式时（有上、或下阈值设置模式指示灯亮），短按为数值减小。长按（按住不放1秒以上）为进入上阈值设置模式，（放开后）再长按进入下阈值设置模式，依次轮换。进入上下阈值设置模式后，有对应的上阈值设置模式指示灯2或下阈值设置模式指示灯3出亮、及3位LED数码管1显示上或下阈值，10秒无操作阈值设置模式自动退出（原阈值不变）。

自动控制满意前先手动加水（长按上按键5），注意观察湿度显示值，反复多次确定（干燥）数值大到何值时需要启动加水，作为干燥度上阈值。同样反复多次观察加水适合时，湿度显示值不断减小，小到多少时（泥土吸水均匀稳定了。对不同种植泥土，有时会长达半小时）作为湿度下阈值。

刚开始随便设置上下阈值（设错不会进入，例如设置上阈值小于下阈值），可随时调整设置，渐趋完善。

浇水管路具体由蠕动泵9或潜水泵（不用先灌水）通过蠕动泵浇水管10引水到花盆。蠕动泵流量小、扬程大、浇水液体仅在一根管子中流，不接触污染泵机械部件，且安装固定无特殊要求，蠕动泵9或潜水泵通过蠕动泵进水管11向储水罐12中抽水，对储水罐12也无特别要求，放在高处、低处都行，很适合盆栽种植浇水。

控制盒以单片机STC15系列、或带WIFI的单片机ESP-12作内部处理控制，单片机的若干IO口驱动3位LED数码管1及上按键5和下按键4，单片机的一个IO口输出PWM方波接图2的泥土湿度检测电路（方波）输入端，单片机的ADC输入口接图2的泥土湿度检测电路输出。单片机的四个输出口控制四路蠕动泵驱动电路（控制泵运行/停止）。

每路蠕动泵驱动电路图（包括单路）见图5。

一个单片机输出口串电阻R8接NPN晶体管T8基极b、T8发射极e接地，T8集电极c串电阻R82接P型低阻MOS管pMos栅极g,pMos管栅极g还接电阻R81到+12V（强电），pMos管源极s接+12V（强电）、pMos管漏极d接蠕动泵9供电线插头8的一端，实现了蠕动泵供电线插头8另一端接地的不同电源（单片机电源是3.3V）间的弱隔离开关型驱动（电机短路或开关管烧毁不会损坏单片机）。实际电路中蠕动泵供电线插头8的两端还并联了反接二极管D8和电容C8组成的反电动势抗干扰吸收电路。

这里应用了近几年新出现的低导通电阻型功率MOS管，低导通电阻在几十毫欧（以下），对1A左右的泵电流完全无需散热片，安装结构简化、体积极小（贴片），特别适合多路开关驱动（是小体积的关键）。再加上MOS管栅极电流为零，对12V以上的动力供电（强电），完全避免了用晶体管作开关管的（因基极电流大而引起的）驱动功耗大的（晶体管基极0.6V控制电压不匹配）问题。

若泵的供电线插头8不必一端接地（与湿度传感电极连线插头6合为一个插口时要用四极插头），则泵驱动电路就简化为：单片机的一个输出口串电阻R8接N型低阻MOS管栅极g，MOS管源极s接地、MOS管漏极d接泵供电线插头8的一端，泵供电线插头8的另一端接+12V（强电）。

泥土湿度的有效检测是该套系统的成败关键，除泥土湿度检测的稳定性、可靠性这种基本要求外，还要求抗干扰、多路可切换、方便数值调整。

泥土湿度检测电路选用图2所示的交流激励测泥土电阻的高交流电压读取法，其中包括了带阻方波源、多路可切换交流激励输出、弱峰值整流、湿度工作段示值调整功能：

单片机输出的PWM方波（单片机固有功能）接图2的泥土湿度检测电路输入端，输入端经电阻R3接晶体管Tr基极b,Tr集电极c接电阻R1到+12V（高压强电），同时Tr集电极c经保护电阻R0到T点，即R0另一端接隔直电容C、及峰值整流二极管D正极，得到了底部总为0V的方波输出点T（从0V起始，顶部高度随湿度变。并适合CD4052作多路切换），C的另一端（作为交流激励输出端）接湿度传感电极碳棒20的一极（也就是两根湿度传感电极连线7及湿度传感电极连线插头6中的一极），湿度传感电极碳棒20的另一极接地。

峰值整流二极管D的负端接电阻R2、滤波电容C1的并联电路到地，该端即为泥土湿度检测电路的检测电压输出点，接0-3.3V的单片机ADC输入，对应于湿度显示值的整个范围。

各元件功能要点如下：

两根湿度传感电极碳棒20插入泥土中形成电阻，经隔直电容C接在方波输出点T，成为负载，泥土越湿，电阻越小，T点方波输出电压越低，方波底部0V由Tr导通保证，方波顶部高度靠Tr截止时由R1上拉。因此R1就是交流激励电压的内阻，R1越大，接近恒流源，越适合测干燥沙土的干燥度，即提高干燥段的区分度（除适合沙漠植物外，更大的需求是怕过湿的发芽、育苗），所以称“带阻方波源”。D、C1、R2构成的峰值整流电路用来读T点方波顶部高度的电压值（变稳定的直流电压值），但峰值整流电路的缺点是怕毛剌干扰，好在一方面Tr导通在底部，引起的毛剌干扰对峰值整流电路无作用，另一方面要R2无穷大才是理想的峰值整流电路，而这里用R2来调整输出电压，使所测泥土的干燥值（或上阈值）落在显示值的高位，例如通常为适合单片机的一字节运算能力，就用一字节0-255作为种植泥土湿度示值范围（对种植来说，有256级湿度区分已足够了），泥土已经很干了（可作上阈值），但示值才100左右，那就要增加R2，提高以提高输出电压；或泥土并未很干，但示值已到255，那就要减小R2，降低输出电压，所以称“湿度工作段示值调整”。因此一般R2为几十K（C1为小于0.47uF），并不是真正的“峰值整流”，而兼有低通滤波效果（抗干扰），所以称“弱峰值整流”。R0为保护电阻，防止两湿度传感电极碳棒碰在一起时，因Tr导通，C的放电电流烧毁Tr。

若要4路检测时，从T点接四选一集成电路CD4052公共端（A）13脚，（A0）12脚、（A1）14脚、（A2）15脚、（A3）11脚分别接4路的隔直电容C串联湿度传感电极碳棒（20）中的一极（见图3），两选择脚（S0)10脚、（S1)9脚接单片机两个口，控制选择接通4路中的某一路。因此仅用两个单片机口及一个廉价的四选一通用集成电路CD4052就实现了分时切换4路检测（并未用四套湿度检测电路加ADC选择）。之所以能用通用的四选一集成电路CD4052，是因为T点方波是非负的（直接用在湿度传感电极碳棒20输入端就不行，此处为交流激励输出点，CD4052不能工作在交流）。

还可不用单片机输出PWM方波信号（或为节省端口），改用时基电路NE555，见图7。这里时基电路NE555内的7脚放电管代替了上述晶体管Tr，NE555构成的无稳态电路代替了单片机输出PWM方波信号。NE555的3脚输出接电阻R4对C5充放电，还并联了R5串D5支路，是为了调节使T点方波信号的底部导通时间小于上部截止时间，更利于用作检测。

一些品种会对泥土湿度检测电路的12V工作电压改为5V，使电阻Rl能成倍减小，以更适用耐湿种植的检测，也就是增加泥土较湿时的分辨率，即数字显示40-100的这一段，干燥段当然较早地饱和到最高值255。这种情况开关电源输出为12V（动力强电）及5V（泥土湿度检测电路），5V经LDO型三端稳压器（如HT7133、AMS1117）输出3.3V供单片机或ESP-12的工作电压。

若要求加水到饱和（从透明盒可看到有积水）时，读数接近0，可在泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值；或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，即稳压管与电阻R2的连接点接单片机ADC输入，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值。前一种方法从理论上讲在接近0值时线性很差（所以一般不用），但在这里有扩展泥土湿度饱和处的读数分辨率的功能。

显示最湿点从0开始，实际上整个湿度检测范围的分辨率都有提高。

所述的稳压管包括正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管（注意：1V以下的稳压管就用二极管的正向结电压代替）、2.2V、3.3V的贴片稳压管。稍相差一点可再调R2或R1，但调R2或R1对干燥度的高端影响很大，所以调低端用稳压管。

这里再补充作点说明：

⊙不用更简单的直流测湿泥土电阻是为避免湿泥土中碳棒会出现化学电池效应的极化现象，时间一长碳棒极化电位逐渐升高，导致误判为泥土干燥（甚至认为电极脱开）；

⊙采用交流激励测泥土电阻，且还要高交流电压（使检测电路不用输入放大级），一是为抗干扰，使湿度传感电极碳棒20到湿度传感电极连线插头6的连线可在三米以上，只要普通细双股线即可，且一根是接地的，可与泵的供电线插头8合并成一个常用三极插头（两者共用一根地线），减少插口；二是为（不用输入放大级。不仅是省一个运放，相关的正负电源配置、滤波电路也都省去了）适应0-3.3V的单片机ADC输入范围；

⊙调整到位后的上下阈值就是种植泥土干湿适合范围的端点标杆值，注意仅对当前的湿度传感电极碳棒埋法。不同的埋法数值是有差异的，不同的尺寸、不同的泥土差异更大。

不过从实际种植实测情况来看，稳定性、一致性还是很满意的，以最严厉的无遮阴夏季曝晒浇水控制为例，对番薯叶、马兰头（这类较耐湿）以常用腐植泥（拌适量土）的松软泥土观察，无论是用透明快餐盒、汤类打包大圆盒、花盆接水外套盒、或大奶茶杯作种植盆，故意选形状大小不一的透明盒是为了观察更直观，且都是无漏水底孔的，节水、卫生；湿度传感电极碳棒长4CM、直径0.4CM，均在土表面直插，两根相距10CM, 种植物密植在中间，观察结果基本都是：显示150左右时必须加水了（植物开始干痿挂下来了）；加水到50开始饱和了（从透明盒可看到出现积水了）。这里用的是松软腐植土，加水在相距10CM的湿度传感电极碳棒的中间，加一点水5分钟后数值就稳定了。湿度传感电极碳棒拨出后再插回数值几乎不变。

⊙种植体在两根湿度传感电极碳棒中间范围，使湿度检测全面均衡（对干燥段尤其重要）；湿度传感电极碳棒也不要紧贴花盆边，泥土干燥收缩时与花盆边整圈是脱开的。

⊙泥土湿度检测电路的工作电压定为12V，适合怕过湿烂根的植物（属于干燥段应用），需求很大的发芽、育苗就是非常怕过湿的。

⊙单片机本身具有输出PWM方波信号功能，占空比可设置。事实上不同的占空比还可实现一些泥土的分类功能。

综上可见图2所示的交流激励测泥土电阻的针对性电路，所用元件不多、精简到位，适应面宽、调整方便（各元件的功能独立明确）。

湿度传感电极碳棒20的结构为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该金属圈压接湿度传感电极连线7，并在该金属圈外涂敷树脂或塑封，隔绝金属圈及引线被泥土的潮湿环境引起化学反应或氧化。碳棒与泥土的潮湿环境有很好的接触相容性(减小与泥土的接触电阻)，并且碳棒永远不会被氧化或腐蚀掉。因这种碳棒电极的小巧廉价性，无论是种前预埋、种后长期插入、或反复插拨，都不影响种植管理维护或小盆密植伤根。即盆栽都插上这种碳棒电极，至少可多盆轮用一套装置。两根湿度传感电极连线7与湿度传感电极连线插头6的连接处增加接插件（包括一分三，即拨开后，两个湿度传感电极连线7的单线也是分开的）便于拆分、挪动携带或多盆轮用一套装置。

实际养花盆栽往往不止一盆，多盆需要多套，很不方便，特别是电源线多很不安全。为此还设计了一个控制盒带4路监控的方案见图4。因为只有一个3位LED数码管1及操作按键（下按键4、上按键5），有当前显示或操作是针对哪一路的问题，因此必须再增设一个各路选择键15及增设4个当前所选路指示灯17（与4路三极插孔16有位置对应关系），以明确当前显示或操作针对的是哪一路，要切换随时按选择键15（各路轮换）。

为尽量减少多路时的连线，将湿度传感电极连线插头6与蠕动泵供电线插头8合并成一个常用三极插头16（两者共用一根地线），这样，一根电源进线插头13就可带四路自动浇水泵了（4个三极插孔16）。

可将湿度传感电极连线6与浇水管10扎在一起。

个别的还包括总电源开关（按钮式）。

为解决旅游或出差时的远程监控泥土湿度，还包括了可用手机或电脑网络监控操作的WIFI物联网功能，该型的控制盒中单片机为带WIFI功能的ESP-12模块，配NODEMCU的LUA脚本语言编程固件，其已包括了构成物联网的程序模块，如WIFI、NET、MQTT协议、GPIO口操作、ADC、温度传感器SPI、I2C、RS等的工作调用函数，使编程开发大为简化，只要用LUA脚本语言即可。

手机或电脑通过网络监控湿度，操作上更方便直观，特别是多路。显示界面以列表的形式逐行列出：当前湿度、上阈值、下阈值，每行对应一路。点击上阈值或下阈值随时（跳出输入框，直接输入数值。包括：下阈值设置0表示关闭浇水，下阈值设置1表示一直开着浇水，也可直接输入文字ON、off、开、关）修改。

手机或电脑WIFI连接控制盒分三种联网方式：

1、控制盒（中的ESP-12）自己就是WIFI AP网页服务器，手机或电脑就连接这个WIFI，并用浏览器访问192.168.4.1即可。无需通外网并有无线路由器。该方式除能监控湿度外，主要用作设置控制盒（中的ESP-12），使其能连接无线路由器或可用的WIFI，包括WIFI名、密码，以及显示连上后的（DHCP）IP，供下述方式2连接用。该方式手机或电脑外网不通，所以仅用作联网刚开始时的设置WIFI名、密码。

2、控制盒（中的ESP-12作为STATION）自行连接无线路由器或可用的WIFI，事先已由上述1的方式设置好WIFI名、密码，并记下连上后所显示的（DHCP）IP。手机或电脑也连接无线路由器或可用的WIFI（即原连网不变），仅用浏览器访问记下的IP（如192.168.0.103）即可随时连接控制盒监控湿度。

注意，刚开始，控制盒因为没有设置过WIFI名、密码，当然只能以方式1连接，当给控制盒设好了WIFI名、密码后，手机或电脑用方式1、方式2连接都行。特别是可再增加一个LED联网指示灯，亮表示控制盒（方式2）WIFI连接成功。

3、控制盒包括物联网MQTT协议（自行以方式2连接并响应MQTT协议），手机或电脑可远程通过MQTT协议（经MQTT服务器）连接控制盒监控湿度。

网上有许多免费的MQTT服务器可用，如hivemq.com、cloudmqtt.com、iot.eclipse.org。

对用电脑监控来说，只要拷入paho.javascript插件（其通过WEBSOCKET同MQTT通讯）、及HTML5+JS操作界面程序放入电脑，双击程序即可启动。

对手机监控来说，将paho.javascript插件及HTML5+JS操作界面程序（mqtt_js/index.htm）放在sdcard/download/路径下，用chrome（HTML5类）浏览器按网址file:///mnt/sdcard/download/mqtt_js/index.htm打开。也可将这些放在web网站，浏览器按常规访问该网站即可。该方法也让用户避免了手机下载安装APP。

蠕动泵电机起动电流较大，为保护开关电源及泵驱动开关管，泵+12V供电包括过流限制电流功能，除常用的运放作检测电流外，可用DK401专用IC更简单实现，见DK401.PDF。

220V变压采用新型准谐振型软开关电源，典型IC及电路参见NCP1207、NCP1377、NCP1380等PDF文档，使MOS高压开关管散热板很小（或不用，发热同后面的肖特基整流管相当。是小体积的关键），特别适合多路蠕动泵电机的变负载运行。

遇到缺水、蠕动泵浇水管10堵塞或落在外面、两根湿度传感电极连线7松脱或湿度传感电极连线插头6松脱、内部自检异常会有讯响报警及LED指示灯闪烁。讯响报警实际是连接在单片机口上的一个嘀声蜂鸣器；LED指示灯通常就是上电指示灯。但有了3位LED数码管1一般不再另设上电指示灯，可用上、下阈值设置模式指示灯（2、3）同时闪烁代替或对应的某路指示灯17闪烁更到位。在联网时同时在手机或电脑上出现（对应的某路）警示。

对STC15F408AS或ESP-12这种经济型单片机，要驱动3位数码管，引脚不够，可用集成电路74HC595来扩展输出口，正好这两种单片机都有SPI接口支持， 用SPI的串行接口能作为74HC595的串行输入，74HC595的并行输出驱动3位数码管是常用典型应用。

本技术装置虽说用于盆栽，同样适用种植泥土。

Claims (7)

1.一种基于泥土湿度及上下阈值设置的自动浇水控制盒，其特征在于，该控制盒主要以STC15系列单片机或带WIFI的单片机ESP-12为内部处理控制，还包括泥土湿度检测电路、蠕动泵驱动电路、3位LED数码管(1)、下按键(4)、上按键(5)和两根湿度传感电极碳棒（20）；

两根湿度传感电极碳棒（20）分开竖直埋在花盆两侧，经两根湿度传感电极连线（7）及湿度传感电极连线插头（6）连接控制盒中的泥土湿度检测电路；蠕动泵（9）通过蠕动泵浇水管（10）引水到花盆，蠕动泵供电线插头（8）连接蠕动泵驱动电路；控制盒由电源进线插头（13）连接220V供电；控制盒通过3位LED数码管（1）显示当前泥土湿度，当泥土干燥度达到上阈值即启动断续自动浇水，经过不到半小时的泥土湿度检测，停止自动浇水使泥土湿度稳定在下阈值；即定义上下阈值为：种植泥土适合的干湿范围的端点值；

所述控制盒中单片机的若干IO口接3位LED数码管（1）及下按键（4）和上按键（5），单片机的一个IO口输出方波接泥土湿度检测电路的输入端，单片机的ADC输入端接泥土湿度检测电路的输出端；单片机的若干输出口还接若干路蠕动泵驱动电路；单片机的电源+端及蠕动泵驱动电路的+端分别接开关电源的+3.3V输出及+12V输出；负极全接地；

所述下按键（4）和上按键（5）操作法如下：

上按键（5）设有操作功能如下：长按，即按住不放1秒以上，加水，放开即停止加水；短按，即按住不超过半秒，显示上阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示；进入上下阈值设置模式时，有上阈值设置模式指示灯（2）或下阈值设置模式指示灯（3）亮，此时短按为数值增加、长按为阈值保存，并退出阈值设置模式，阈值设置模式指示灯灭，数值显示恢复当前湿度显示；

下按键（4）设有操作功能如下：短按，即按住不超过半秒，显示下阈值，2秒后数值显示恢复当前湿度显示；进入上下阈值设置模式时，短按为数值减小；长按，即按住不放1秒以上，为进入上阈值设置模式，再长按进入下阈值设置模式，依次轮换，有对应的上阈值设置模式指示灯（2）或下阈值设置模式指示灯（3）亮、及上阈值或下阈值显示；阈值设置模式中10秒无操作自动退出；

下阈值设置0表示关闭浇水，下阈值设置1表示一直开着浇水；

所述泥土湿度检测电路包括三极管Tr、二极管D、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C、电容C1；单片机输出的PWM方波信号端接电阻R3的一端，电阻R3另一端接三极管Tr的基极，三极管Tr的集电极接电阻R1，电阻R1的另一端接+12V，同时三极管Tr的集电极还接电阻R0，电阻R0的另一端分别与电容C的一端和二极管D的正极连接在一起，记为T点；电容C的另一端接湿度传感电极碳棒（20）的一极，湿度传感电极碳棒（20）的另一极、Tr发射极、电容C1一端、电阻R2一端均接地，二极管D的负端、电阻R2的另一端、电容C1的另一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接单片机ADC输入端；

或，所述泥土湿度检测电路包括时基电路NE555、二极管D、二极管D5、电阻R4、电阻R5、电阻R0、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C5、电容C、电容C1；NE555的2、6脚及电容C5、电阻R4、电阻R5的一端连接在一起，电阻R5另一端接二极管D5的正极，二极管D5的负极、电阻R4另一端以及NE555的3脚连接在一起，NE555的8脚与电阻R1一端连接在一起接+12V，电阻R1另一端、电阻R0一端以及NE555的7脚连接在一起，电阻R0另一端分别与电容C一端和整流二极管D正极连接在一起，记为T点，电容C的另一端接湿度传感电极碳棒（20）的一极，湿度传感电极碳棒（20）的另一极、电容C5的另一端、NE555的1脚、电容C1一端以及电阻R2一端均接地，二极管D的负端、电阻R2的另一端、电容C1的另一端连接在一起作为泥土湿度检测电路的输出端，该输出端接单片机ADC输入端；

所述湿度传感电极碳棒（20）为碳棒的一端紧密包裹一圈导电金属圈，通过该导电金属圈压接或焊接湿度传感电极连线（7），并在该导电金属圈外涂敷树脂或塑封；

或所述湿度传感电极碳棒（20）为碳棒的一端头电镀一层金属，在该金属镀层焊接湿度传感电极连线（7），并对该金属镀层及焊接线根部包敷塑胶或灌封树脂；

所述蠕动泵驱动电路包括NPN三极管T8、P型MOS管pMos、二极管D8、电容C8、电阻R8、电阻R81、电阻R82；单片机一个输出口接电阻R8，电阻R8另一端接NPN三极管T8基极，NPN三极管T8集电极接电阻R82的一端，电阻R82另一端及电阻R81一端均接P型MOS管pMos栅极,电阻R81另一端和P型MOS管pMos源极连在一起接+12V强电，P型MOS管pMos漏极分别接蠕动泵供电线插头(8)的一端、二极管D8负端和电容C8一端，蠕动泵供电线插头(8)的另一端、二极管D8正端、电容C8另一端以及NPN三极管T8发射极均接地；

或所述蠕动泵驱动电路包括N型Mos管、二极管D8、电容C8、电阻R8；单片机一个输出口接电阻R8，电阻R8另一端接Mos管栅极，Mos管源极接地，Mos管漏极分别接蠕动泵供电线插头(8)的一端、二极管D8正端和电容C8一端，蠕动泵供电线插头(8)的另一端、二极管D8负端和电容C8另一端连接在一起接+12V强电；

当控制盒以带WIFI的单片机ESP-12为内部处理控制时，还包括该单片机通过无线网络连接手机或电脑，所述带WIFI的单片机ESP-12配NODEMCU的LUA脚本语言编程固件，所选程序模块包括WIFI、NET、MQTT协议、SPI、GPIO口操作，远程物联网采用MQTT协议；

所述控制盒连接手机或电脑时，手机或电脑的显示界面以列表的形式逐行列出：当前湿度、上阈值、下阈值，每行对应一路；点击上阈值或下阈值随时进入直接输入数值修改；

手机或电脑WIFI连接单片机分三种联网方式：

方式1、控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12自己就是WIFI AP网页服务器，手机或电脑就连接这个WIFI，并用浏览器访问192.168.4.1即可；该方式除能监控湿度外，主要用作设置控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12，使其能连接无线路由器或可用的WIFI，包括WIFI名、密码，以及显示连上后的IP，供下述方式2连接用；该方式手机或电脑外网不通，所以仅用作联网刚开始时的设置WIFI名、密码；

方式2、控制盒中的带WIFI的单片机ESP-12自动连接无线路由器或可用的WIFI，由上述方式1事先已设置好WIFI名、密码，并记下了连上后所显示的IP；手机或电脑也连接无线路由器或可用的WIFI，仅用浏览器访问记下的IP即可随时连接控制盒进行监控湿度；另外，还增加一个联网指示灯，亮表示控制盒方式2 WIFI连接成功；

方式3、控制盒包括物联网MQTT协议，手机或电脑远程通过MQTT协议连接控制盒监控湿度。

2.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，对泥土湿度检测电路的12V工作电压改为5V，使电阻Rl能成倍减小，以适用耐湿种植的检测；这种情况开关电源输出为12V及5V，5V经LDO型三端稳压器输出3.3V供单片机或ESP-12工作电压；

或一些品种会在泥土湿度检测电路中的二极管D再串联一个稳压管，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

或在电阻R2上端再串联一个稳压管，从稳压管与电阻R2的连接点输出湿度检测电压，即稳压管与电阻R2的连接点接单片机ADC输入端，使泥土湿度检测电路的输出电压降低稳压管的稳压值，为使泥土湿度饱和值接近0；

所述的稳压管为正向压降0.3V的肖特基二极管、正向压降0.6V的普通硅二极管、2.2V的贴片稳压管或3.3V的贴片稳压管。

3.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，220V变压采用准谐振型软开关电源；12V供电具有电流限制保护功能。

4.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，所述控制盒还增加嘀声蜂鸣器，其与单片机IO口相连，在出现异常情况会报警；在出现异常情况时，上阈值设置模式指示灯（2）和下阈值设置模式指示灯（3）同时闪烁或当前所选路指示灯（17）闪烁。

5.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，两根湿度传感电极连线（7）与湿度传感电极连线插头（6）的连接处增加接插件。

6.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，还包括总电源开关，串联在电源进线插头(13)的进线上。

7.根据权利要求1所述的控制盒，其特征在于，还包括增加集成电路74HC595扩展单片机输出口连接3位LED数码管(1)，单片机通过SPI接口连接74HC595的串行输入脚。

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