CN112449910B - 一种基于物联网的智能水肥花盆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于物联网的智能水肥花盆，包括花盆组件、WiFi控制模块、APP程序模块以及云管理模块；花盆组件通过公用的WIFI路由连接到云管理中心，APP程序模块通过云管理中心获取环境参数与设备动作状态，并通过APP程序模块将花盆的智能喷灌策略下发至WiFi控制模块。本发明中的营养液采用渗漏方式，水采用策略喷灌方式，用户可以针对不同的植物或者植物不同生长阶段，管理营养液渗漏速率和水喷灌的时间。智能策略从云端发布解决了用户可以根据不同的种植需求下载合适的智能喷灌与营养液渗漏速率。

Description

一种基于物联网的智能水肥花盆

技术领域

本发明涉及智能水肥花盆领域，尤其是一种基于物联网的智能水肥花盆。

背景技术

智能花盆是家居和办公室种植植株的新宠，可以通过感知花盆内土壤、温湿度以及环境光照温湿度的变化所提供的一套现代化种植系统。智能花盆的设计主要围绕花卉种植过程中的环境温室度、光照、土壤温室度等参数的变化，提醒用户对花卉种植进行相应的管理。

如何提供更加便捷、实用的智能花盆的人机交互方式，针对不同植物或植物的不同生长阶段，便捷的管理营养液渗漏速率和水喷灌时间，是智能花盆设计的重要研究对象。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于物联网的智能水肥花盆，针对不同的植物或者植物不同生长阶段，管理营养液渗漏速率和水喷灌的时间。

技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：

一种基于物联网的智能水肥花盆，包括花盆组件、WiFi控制模块、APP程序模块以及云管理模块；

所述APP程序模块通过云管理模块获取环境参数以及花盆组件的动作状态，并通过WiFi控制模块控制花盆组件各部分实现定时控制、设定控制以及编辑模式控制的三种智能灌溉方式；

所述花盆组件包括花盆本体、清水容器、营养液容器以及营养液渗透模块；所述花盆本体下部设有伸入其内部的土壤温湿度传感器；

所述清水容器沿花盆本体侧面安装且设于底部；所述清水容器上方设有控制盒；所述营养液容器设于控制盒上方；所述营养液容器下方设有连通至清水容器的连通管道，所述连通管道上设有电磁阀；

所述营养液渗透组件包括伸入花盆本体内部的渗透液透气平衡管和渗透液渗漏管。

更进一步的，所述花盆本体为纵截面为倒置梯形的结构。

更进一步的，所述WiFi控制模块包括集成WiFi控制器以及外置WiFi天线；其中集成WiFi控制器设于控制盒内部，外置WiFi天线设于控制盒外部。

更进一步的，所述集成WiFi控制器包括STM32核心电路、PWM调制调压输出回路、I2C协议总线接口、传感器设计电路、WiFi电路、单片机辅助电路、物联网云平台、APP程序电路以及SD储存模块。

更进一步的，所述清水容器以及营养液容器顶部均设有超声波测距模块，测量范围为2-400cm，12C总线输出，灵敏度为0.1cm。

更进一步的，所述控制盒内还设有蓄电池以及直流水泵；所述渗透液透气平衡管、渗透液渗漏管以及连通管道均连接至直流水泵集合控制；所述直流水泵下方设有管道连通至清水容器内部，往上还设有延伸至花盆本体顶部的喷灌头以及管路。

更进一步的，所述清水容器顶部内壁还设有清水高度传感器；所述营养液容器顶部内壁设有营养液高度传感器。

更进一步的，所述营养液容器上还设有温湿度传感器以及光照传感器。

更进一步的，所述定时控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序模块设定每天定时灌溉时间，以设定的灌溉量进行灌溉的灌溉模式，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中。

更进一步的，所述定时控制的智能灌溉方式为：设定控制指用户在APP程序模块设定花盆浇灌的土壤湿度下限值EH1dwn，以及下限值到达后的延时时长值，喷灌量，喷灌模式，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中，当检测到土壤湿度下限值，进行延时时长统计，到达延时时长后，判定喷灌模式后通过PWM输出水泵控制电压，进行喷灌，并根据喷灌量Q1～Q3计算液位下降高度：delh＝Q1～Q3/40mm。

更进一步的，所述编辑模式控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序模块编辑一定时间的精确灌溉计划，编辑可以设定每天的喷灌量，喷灌模式，土壤湿度下限值，光照上限值，环境温度上限值；同时可以编辑每日累积日照下限报警值，环境温湿度上限值，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中；实相应时间周期内作物精确的喷灌与种植管理。

有益效果：本发明具有以下优点：

采用施肥策略和灌溉策略实现植物在不同生长阶段的阶段性生长需要，植物生长过程中肥和水的需求是独立的，通过物联网实现智能的独立施肥方式和喷灌方式。且考虑到施肥效用，采用渗透方式实现根部施肥。可编辑智能策略为用户提供了个性化智能养花的交互方式，也为用户下载成熟的智能养花策略写入SD卡提供了一种可靠方法。施肥的渗漏方式采用了渗漏管+透气平衡管的设计方式，透气平衡管一方面用于保障营养液的渗漏，另一方面用于控制电磁阀的通断，降低电磁阀的通断时间，从而降低整个装置的用电量，使得花盆可以采用独立的锂电池进行供电。

附图说明

图1是本发明实施例1中花盆组件结构示意图；

图2是本发明实施例1中物联网智能花盆信息传递方式示意图；

图3是本发明实施例1中集成WiFi控制器原理示意图；

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1-图3所示，本发明公开了一种基于物联网的智能水肥花盆，包括花盆组件、WiFi控制模块、APP程序模块以及云管理模块；

所述APP程序模块通过云管理模块获取环境参数以及花盆组件的动作状态，并通过WiFi控制模块控制花盆组件各部分实现定时控制、设定控制以及编辑模式控制的三种智能灌溉方式；

所述花盆组件包括花盆本体1、清水容器2、营养液容器3以及营养液渗透模块；所述花盆本体1下部设有伸入其内部的土壤温湿度传感器7；

所述花盆本体1的形状为纵截面为倒置梯形的结构；规格与种植的植物种类相关，土壤温湿度传感器7的模块测量范围温度：-40～+80℃；湿度：0～99.9％RH，测量精度温度：±0.5℃；湿度：±3％RH(25℃)，为I2C总线输出。

所述清水容器2为一个大小为4L的水罐，沿花盆本体1侧面斜边安装且设于底部；高度为10cm，水罐上留有注水口，上方设有控制盒8；所述营养液容器3设于控制盒8上方；为一个500mL容量大小的罐子，留有注液口，高度为10cm。

所述营养液容器3下方设有连通至清水容器2的连通管道9，所述连通管道9上设有电磁阀91；电磁阀91为12V直流电磁阀，用户通过调整12V直流电磁阀的通断，从而调节营养液的供给；渗透液渗漏管(42)分为两个部分，渗漏管的渗透网孔部分埋入土壤，通过埋入的不锈钢网孔进行根部渗透，渗漏管的导流部分为不锈钢管，露出土壤，主要是形成营养液渗透管正压以及营养液滴漏至渗透管的负压；渗漏管的渗透网孔部分的底端每1cm有0.5mm的细孔用于营养液渗漏，导流部分为实心管，整根管安装设有1:10的微倾斜角，形成营养液流动的微势能。

所述清水容器2以及营养液容器3顶部均设有超声波测距模块，测量范围为2-400cm，12C总线输出，灵敏度为0.1cm。

所述清水容器2顶部内壁还设有清水高度传感器21；所述营养液容器3顶部内壁设有营养液高度传感器31。

所述营养液容器3上还设有温湿度传感器32以及光照传感器33；光照传感器测量范围是0-65535lx，为I2C总线输出，灵敏度50lx，温湿度传感器模块测量范围温度：-40～+80℃湿度：0～99.9％RH，测量精度温度：±0.5℃；湿度：±3％RH(25℃下)，为I2C总线输出。

所述营养液渗透组件包括伸入花盆本体1内部的渗透液透气平衡管41和渗透液渗漏管42。所述控制盒8内还设有蓄电池81以及直流水泵82；所述渗透液透气平衡管41、渗透液渗漏管42以及连通管道9均连接至直流水泵82集合控制；所述直流水泵82下方设有管道连通至清水容器2内部，往上还设有延伸至花盆本体1顶部的喷灌头以及管路10。

所述WiFi控制模块包括集成WiFi控制器51以及外置WiFi天线52；其中集成WiFi控制器51设于控制盒8内部，外置WiFi天线52设于控制盒8外部。

所述集成WiFi控制器51包括STM32核心电路、PWM调制调压输出回路、I2C协议总线接口、传感器设计电路、WiFi电路、单片机辅助电路、物联网云平台、APP程序电路以及SD储存模块。集成WIFI控制器51是本发明的核心模块，以STM32为核心电路，还设计有一路PWM调制调压输出回路，调压范围0～12V，用于调节直流水泵的流速；配置有I2C协议接口，采集土壤温湿度、环境温湿度、环境光照、营养液高度、清水高度五类7个参数以及WIFI信息；PWM调制调压输出回路、I2C协议、各传感器设计电路、WIFI电路、单片机辅助电路、物联网云平台和APP程序模块的实现方法等为成熟电路或技术。

本发明智能水肥花盆的物联网信息传递路径是环境光照等传感信息通过I2C总线采集进STM32，通过STM32处理后通过Modbus RTU总线方式传递给WIFI模块，WIFI模块通过TCP/IP协议存储至云管理中心。APP程序模块通过4G网络获取云管理中心实时转发的在线数据显示在APP程序上。APP程序设定参数是通过4G网络存储在云管理中心，云管理中心通过数据映射表将设定参数通过TCP/IP传递至WIFI路由，再通过WIFI传递至WIFI模块，WIFI模块再通过数据映射表规则反解成参数，通过Modbus RTU传递至STM32，写入SD卡，写入延时30S后重新读取SD卡内的设定参数至RAM。调压电路通过PWM进行调压控制，SD卡读写方式采用SPI模式。

本发明的智能施肥方式实现如下：

首先营养液的流速控制方法是通过控制直流电磁阀的通断累积流量来实现的。营养液的流速控制可以设定为ml/hour；ml/day；ml/month三种模式,每天可设置1～6个定时施肥时间。Qml/hour设置情况下，每天在1～6个设定的定时刻记录初始液位，打开电磁阀，下降液位达到Q/5mm，关闭电磁阀。营养液容器3内液位低于95mm时报警并提示用户补充营养液；Qml/day设置情况下，每天在1～6个设定的定时刻记录初始液位，打开电磁阀，下降液位达到Q/(5*每天施肥次数)mm，关闭电磁阀。营养液罐内液位低于95mm时报警并提示用户补充营养液。ml/month设置情况下，每天在1～6个设定的定时刻记录初始液位，打开电磁阀，下降液位达到Q/(5*每天施肥次数*30)mm，关闭电磁阀。营养液罐内液位低于95mm时报警并提示用户补充营养液。在电磁阀的开启过程中，可能会由于营养液来不及渗漏完全，进入透气平衡管，电磁阀两端的压差下降，营养液高度下降速率下降至0.1mm/s,电磁阀关闭，20min渗漏基本完成后再开启。设定参数通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中。

本发明的智能灌溉方式有三种，具体实现如下：

1)定时控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序通过WIFI设定每天定时时间，每天提供三个时间点进行灌溉，每个时间点可设置三个喷灌量Q1～Q3(ml)，两种喷灌模式，数据通过WIFI下达存储至SD卡中。定时灌溉受土壤温湿度传感器模块测量值控制，如果土壤湿度E H1>土壤湿度上限值EH1up，则该定时灌溉不执行。土壤湿度上限值通过APP设定，WIFI下达存储至SD卡中。通过时钟检测是否为灌溉时间，如果是则判断土壤湿度E H1是否小于土壤湿度上限值EH1up，是则选择喷灌模式Mode，通过PWM输出水泵控制电压Upwm为12V(喷灌)或3V(滴灌)，并根据喷灌量Q1～Q3计算液位下降高度delh(delh＝Q1～Q3/40mm)。

2)定时控制的智能灌溉方式为：设定控制指用户在APP程序模块设定花盆浇灌的土壤湿度下限值EH1dwn，以及下限值到达后的延时时长值，喷灌量，喷灌模式，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中，当检测到土壤湿度下限值，进行延时时长统计，到达延时时长后，判定喷灌模式后通过PWM输出水泵控制电压，进行喷灌，并根据喷灌量Q1～Q3计算液位下降高度：delh＝Q1～Q3/40mm。

3)编辑模式控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序模块编辑120天的精确灌溉计划，编辑可以设定每天的喷灌量，喷灌模式，土壤湿度下限值，光照上限值，环境温度上限值；同时可以编辑每日累积日照下限报警值，环境温湿度上限值，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中；实相应时间周期内作物精确的喷灌与种植管理。作物按每天的喷灌条件检测到土壤湿度下限值，光照上限值，环境温度上限值后，选择设定的喷灌模式，进行精确喷灌。同时根据每日累积日照下限报警值，环境温湿度上限值的每日设定，进行光照与环境温湿度的警告。累积日照功能主要用于喜阴或喜阳植物的不同生长期的光照告警，环境温湿度主要用于植物不同生长期对环境温室度需求告警。

本发明的报警实现方式如下：土壤湿度报警，用户通过设定土壤湿度一级报警，湿度二级报警，干度一级报警，干度二级报警四个值，进行土壤湿度报警。土壤湿度一级报警值用于闭锁灌溉动作，土壤二级湿度报警值用于提醒用户人工干预。土壤干度一级报警值用于提醒灌溉动作，土壤二级干度报警值用于提醒用户人工干预。土壤干度自动灌溉定值在灌溉设定控制模式中独立定义。环境温湿度报警，用户通过设定环境温度(或湿度)一级报警，环境温度(或湿度)二级报警，两个限值，一级报警在APP程序上提示用户，二级报警通过短信功能提醒用户。累积日照报警。设定日照累积的光照度下限，设定累积起始记录日期。时长单位为s，显示转换为h时采用T/3600，保留小数点2位。光照累积时长报警按h/day、h/month两种判别方式，也就是在每一天可以设定平均日累积h/day的上下两级限告警值，或者月累积h/month上下两级限告警值，日累积平均计算方式可以设定累积天数Td。SD卡内可以存储一年的日照累积数据，每天20时定时存储更新数据，每天第一次达到光照条件时刻读入历史数据。日累积判别值Te＝前Td天有效日照时间之和/Td。月累积判别值，如果日照统计超过30天，则Tm＝前30天有效日照时间之和；如果日照统计不足30天，则Tm＝30×前全部天数有效日照时间之和/全部天数。如果日累积判别值Te或Tm低于下一级限日累积告警值，则APP程序告警，低于下二级限日累积告警值，则短信推送告警。如果日累积判别值Te或Tm高于上一级限日累积告警值，则APP程序告警，高于上二级限日累积告警值，则短信推送告警。

本发明的节能管理方式如下：

(1)单片机为独立供电，其它设备的供电电源采用单片机控制。设备的通电时间设定至SD卡中，在通电时间可以修改下载，也可以直接接通电源修改下载。

(2)设备在喷灌模式下，电磁阀和泵的接通由喷灌量控制，不存在节能需要。设备在渗透施肥模式下，采用平衡管缓存肥液，通过平衡管的上升速率也就是液罐的下降速率关闭电磁阀，避免电磁阀长时间通电带来过高能耗。

Claims (4)

1.一种基于物联网的智能水肥花盆，其特征在于包括花盆组件、WiFi控制模块、APP程序模块以及云管理模块；

所述APP程序模块通过云管理模块获取环境参数以及花盆组件的动作状态，并通过WiFi控制模块控制花盆组件各部分实现定时控制、设定控制以及编辑模式控制的三种智能灌溉方式；

所述花盆组件包括花盆本体（1）、清水容器（2）、营养液容器（3）以及营养液渗透模块；所述花盆本体（1）下部设有伸入其内部的土壤温湿度传感器（7）；

所述清水容器（2）沿花盆本体（1）侧面安装且设于底部；所述清水容器（2）上方设有控制盒（8）；所述营养液容器（3）设于控制盒（8）上方；所述营养液容器（3）下方设有连通至清水容器（2）的连通管道（9），所述连通管道（9）上设有电磁阀（91）；

所述营养液渗透组件包括伸入花盆本体（1）内部的渗透液透气平衡管（41）和渗透液渗漏管（42）；渗透液透气平衡管（41）一方面用于保障营养液的渗漏，另一方面用于控制电磁阀的通断；

所述清水容器（2）以及营养液容器（3）顶部均设有超声波测距模块，测量范围为2-400cm，12C总线输出，灵敏度为0.1cm；所述清水容器（2）为一个大小为4L的水罐，所述控制盒（8）内还设有蓄电池（81）以及直流水泵（82）；所述渗透液透气平衡管（41）、渗透液渗漏管（42）以及连通管道（9）均连接至直流水泵（82）集合控制；所述直流水泵（82）下方设有管道连通至清水容器（2）内部，往上还设有延伸至花盆本体（1）顶部的喷灌头以及管路（10）；所述清水容器（2）顶部内壁还设有清水高度传感器（21）；所述营养液容器（3）顶部内壁设有营养液高度传感器（31）；所述营养液容器（3）上还设有温湿度传感器（32）以及光照传感器（33）；

所述定时控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序模块设定每天定时灌溉时间，以设定的灌溉量进行灌溉的灌溉模式，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中；所述设定控制的智能灌溉方式为：设定控制指用户在APP程序模块设定花盆浇灌的土壤湿度下限值EH1dwn，以及下限值到达后的延时时长值，喷灌量，喷灌模式，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中，当检测到土壤湿度下限值，进行延时时长统计，到达延时时长后，判定喷灌模式后通过PWM输出水泵控制电压，进行喷灌，并根据喷灌量Q1~Q3计算液位下降高度：delh=Q1~Q3/40mm；所述编辑模式控制的智能灌溉方式为：用户在APP程序模块编辑一定时间的精确灌溉计划，编辑设定每天的喷灌量，喷灌模式，土壤湿度下限值，光照上限值，环境温度上限值；同时编辑每日累积日照下限报警值，环境温湿度上限值，并将数据通过WiFi控制模块存储至SD储存模块中；实现相应时间周期内作物精确的喷灌与种植管理。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的智能水肥花盆，其特征在于：所述花盆本体（1）为纵截面为倒置梯形的结构。

3.根据权利要求1所述的基于物联网的智能水肥花盆，其特征在于：所述WiFi控制模块包括集成WiFi控制器（51）以及外置WiFi天线（52）；其中集成WiFi控制器（51）设于控制盒（8）内部，外置WiFi天线（52）设于控制盒（8）外部。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的智能水肥花盆，其特征在于：所述集成WiFi控制器（51）包括STM32核心电路、 PWM调制调压输出回路、I2C协议总线接口、传感器设计电路、WiFi电路、单片机辅助电路、物联网云平台、APP程序电路以及SD储存模块。