基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，包括可編程邏輯器、用于感知花卉外部自然光線的強(qiáng)度的光傳感器、用于探測空氣的干濕度的空氣干濕度傳感器、用于探測土壤的濕度的土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型馬達(dá)水泵、LCD顯示器、直流電源和外部存儲器；所述可編程邏輯器分別與所述光傳感器、空氣干濕度傳感器、土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型馬達(dá)水泵、LCD顯示器、直流電源和外部存儲器連接；所述驅(qū)動(dòng)電路連接于所述可編程邏輯器和所述微型馬達(dá)水泵之間，所述述微型馬達(dá)水泵輸出端連接有水管。實(shí)現(xiàn)了根據(jù)花卉種類、光照、空氣干濕度和土壤濕度判斷花卉澆水需求，并可對多種花卉進(jìn)行聯(lián)合控制澆水。
【專利說明】
基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及盆栽種植技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于可編程邏輯器的智能澆花 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的自動(dòng)澆花系統(tǒng)普遍采用預(yù)先設(shè)定固定澆水量方法，部分系統(tǒng)可以根據(jù)監(jiān)測 土壤的濕度自動(dòng)開啟水栗進(jìn)行澆水。預(yù)先設(shè)定固定澆水量的系統(tǒng)通過單片機(jī)設(shè)定固定時(shí)間 長度進(jìn)行澆水。監(jiān)測土壤濕度澆水系統(tǒng)采用單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)連接土壤濕度傳感器， 監(jiān)測傳感器濕度變化值，通過外接水栗電機(jī)控制芯片驅(qū)動(dòng)水栗電機(jī)進(jìn)行澆水;單片機(jī)接收 傳感器探測的土壤濕度值，再根據(jù)預(yù)置的土壤濕度參考值和土壤溫度值，判斷是否需要澆 花，在判斷需要澆花時(shí)，驅(qū)動(dòng)水栗澆花。例如，專利號為ZL201220706800. 1、專利號 CN203226113 U、專利號CN 102960218 A中公開的自動(dòng)澆水系統(tǒng)，根據(jù)預(yù)置固定的土壤濕度 參考值和土壤溫度值，判斷是否需要澆花，在判斷需要澆花時(shí)，驅(qū)動(dòng)水栗啟動(dòng)澆花。現(xiàn)有澆 花系統(tǒng)沒有綜合花卉種類、光照、空氣干濕度和土壤濕度性能指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行定制澆水，澆灌 過程具有盲目性及隨意性的特點(diǎn)?；ɑ苌L過程中，澆水量的多少影響花卉生長速度，如果 澆水量過多或過少都將導(dǎo)致花卉生長不正常，甚至死亡。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種基于可編程邏輯器的智能 澆花系統(tǒng)，根據(jù)花卉種類、光照、空氣干濕度和土壤濕度實(shí)時(shí)計(jì)算花卉是否需要澆水，并驅(qū) 動(dòng)水栗對花卉進(jìn)行澆水或停止?jié)菜?，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對多種花卉進(jìn)行聯(lián)合控制澆水。
[0004] 本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，包括可編程邏輯器、用于感知花卉外部 自然光線強(qiáng)度的光傳感器、用于探測空氣相對濕度的空氣干濕度傳感器、用于探測土壤濕 度的土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型馬達(dá)水栗、IXD顯示器、直流電源和外部存儲器;所述 可編程邏輯器分別與所述光傳感器、空氣干濕度傳感器、土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型 馬達(dá)水栗、LCD顯示器、直流電源和外部存儲器連接;所述驅(qū)動(dòng)電路連接于所述可編程邏輯 器和所述微型馬達(dá)水栗之間，所述述微型馬達(dá)水栗輸出端連接有水管。
[0006] 所述光傳感器固定在花卉枝干上并通過第一電阻與所述可編程邏輯器連接。
[0007] 所述空氣干濕度傳感器固定在花卉枝干上并通過第二電阻與所述可編程邏輯器 連接。
[0008] 所述土壤濕度傳感器放置在花卉土壤中并通過第三電阻與所述可編程邏輯器連 接。
[0009] 所述驅(qū)動(dòng)電路由輸入電源、基準(zhǔn)電源、馬達(dá)、二極管、三極管、分壓電阻、第一電容 和第二電容組成，所述分壓電阻連接于所述輸入電源和所述三極管基極之間，所述馬達(dá)、二 極管和第二電容并聯(lián)后連接于所述基準(zhǔn)電源和所述三極管集電極之間，所述第一電容連接 于所述三極管集電極和發(fā)射極之間，所述三極管發(fā)射極接地。
[0010] 所述直流電源與所述可編程邏輯器之間連接有用于將12V直流電源轉(zhuǎn)換成所述可 編程邏輯器所需電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器。
[0011] 所述外部存儲器包括Flash存儲器和DDR SDRAM。
[0012] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：
[0013] 通過光傳感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)獲取花卉的光照、空氣 干濕度和土壤濕度，結(jié)合花卉種類，可編程邏輯器實(shí)時(shí)計(jì)算花卉是否需要澆水，并驅(qū)動(dòng)水栗 對花卉進(jìn)行澆水或停止?jié)菜瑫r(shí)可實(shí)現(xiàn)對多種花卉進(jìn)行聯(lián)合控制澆水。
[0014] 以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本實(shí)用新型的一種基 于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)不局限于實(shí)施例。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實(shí)用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0016] 圖2為本實(shí)用新型所述的多種花卉聯(lián)合控制澆水簡要電路圖；
[0017] 圖3為本實(shí)用新型所述的驅(qū)動(dòng)電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 如圖1所示，一種基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，包括可編程邏輯器、用于感 知花卉外部自然光線強(qiáng)度的光傳感器、用于探測空氣相對濕度的空氣干濕度傳感器、用于 探測土壤濕度的土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型馬達(dá)水栗、IXD顯示器、直流電源和外部存 儲器;所述可編程邏輯器分別與所述光傳感器、空氣干濕度傳感器、土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng) 電路、微型馬達(dá)水栗、IXD顯示器、直流電源和外部存儲器連接;所述驅(qū)動(dòng)電路連接于所述可 編程邏輯器和所述微型馬達(dá)水栗之間，所述述微型馬達(dá)水栗輸出端連接有水管;所述直流 電源與所述可編程邏輯器之間連接有用于將12V直流電源轉(zhuǎn)換成所述可編程邏輯器所需電 源的DC-DC轉(zhuǎn)換器;所述外部存儲器包括Flash存儲器和DDR SDRAM。所述光傳感器和所述空 氣干濕度傳感器固定在花卉枝干上，所述土壤濕度傳感器放置在花卉土壤中。
[0019] 具體的，所述可編程邏輯器選擇Altera公司的EP3C25F324。該器件有324個(gè)輸入輸 出接口，F(xiàn)BGA封裝，是第三代低價(jià)高性能的FPGA?？刂苹ɑ軡菜到y(tǒng)的具體架構(gòu)為，12V的直 流電源經(jīng)過DC-DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為3.3V、2.5V、1.8V、1.25V和1.2V直流電源供給可編程邏輯 器，分別與FPGA的￥(^33、￥(^25、￥(^18、￥(^125和￥(^12引腳連接。所述光傳感器、空氣干濕 度傳感器和土壤濕度傳感器的輸入和輸出分別與可編程邏輯器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_ D5引腳連接。外部晶體振蕩器給系統(tǒng)提供50MHz的時(shí)鐘，接入可編程邏輯器的CLK引腳。由于 可編程邏輯器輸出的帶負(fù)載能力不足，因此本系統(tǒng)將HSMC_D19引腳接入所述驅(qū)動(dòng)電路，用 以驅(qū)動(dòng)所述微型馬達(dá)水栗向花卉澆水或停止?jié)菜?。所述外部存儲器采用Flash 32MB的容量 和32MB DDR SDRAM。其中，F(xiàn)lash用來存放樣本花卉數(shù)目，雙向16位數(shù)據(jù)進(jìn)行交換，與可編程 邏輯器的引腳FLASH_DQ[0. . 15]連接。Flash存儲具有體積小、功耗低和數(shù)據(jù)安全的特點(diǎn)。為 了使樣本數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確寫入，避免在頁與頁的交替時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)丟失，利用EP3C25F324內(nèi)部的 RAM構(gòu)成雙端口RAM和DDR SDRAM作為數(shù)據(jù)緩存，然后再導(dǎo)入Flash中存儲。其中DDR SDRAM的 容量為32MB，與FPGA內(nèi)部的DDR_DQ[0..15]連接。讀取Flash采用并行模式主動(dòng)讀取方式，此 時(shí)能直接對Flash控制總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行操作。由于Flash存儲器采用塊擦除模式，因此 擦除速度快，當(dāng)需要更新花卉樣本數(shù)據(jù)時(shí)，塊內(nèi)數(shù)據(jù)能快速擦除并更新。所述LCD顯示器顯 示相應(yīng)的花卉名稱、種類、喜光性，并與可編程邏輯器的DR2M引腳連接。
[0020] 進(jìn)一步的，如圖2所示為實(shí)現(xiàn)多種花卉聯(lián)合控制的簡要電路圖。圖2中，可編程邏輯 器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_D5接口分別用于接入第一種花卉的光傳感器、空氣干濕度傳 感器和土壤濕度傳感器，所述HSMC_D1接口與所述光傳感器之間連接有第一電阻R1，所述 HSMC_D3接口與所述空氣干濕度傳感器之間連接有第二電阻R2，所述HSMC_D5接口與所述土 壤濕度傳感器之間連接有第三電阻R3,使用所述第一電阻R1、第二電阻R2和第三電阻R3可 以提高總線的驅(qū)動(dòng)能力。同時(shí)，在光傳感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器的電源輸 入端分別設(shè)置上拉電阻R4、R5和R6,提高電壓的容噪能力。對應(yīng)的，可編程邏輯器的HSMC_ D7、HSMC_D9、HSMC_D11接口分別用于接入第二種花卉的光傳感器、空氣干濕度傳感器和土 壤濕度傳感器，HSMC_D 13、HSMC_D 15、HSMC_D 17接口分別用于接入第三種花卉的光傳感器、 空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器。在可編程邏輯器中，預(yù)先設(shè)置各個(gè)接口所接花卉的 理想花卉因子及喜光性。具體過程是:可編程邏輯器控制多種花卉時(shí)，要確保每種花卉對應(yīng) 的光傳感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器能與可編程邏輯器實(shí)時(shí)雙向傳輸。當(dāng)花 卉傳感器采集的數(shù)據(jù)改變，則將可編程邏輯器的寫請求信號置為高電平，通過數(shù)據(jù)總線將 采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇删幊踢壿嬈鲀?nèi)部處理。若在同一時(shí)間周期內(nèi)有多種花卉傳感器的采集數(shù) 據(jù)改變，則可編程邏輯器按照傳感器響應(yīng)時(shí)刻的先后設(shè)置優(yōu)先權(quán)值。響應(yīng)時(shí)刻越早，優(yōu)先權(quán) 值越大。可編程邏輯器及時(shí)響應(yīng)花卉傳感器的中斷請求，根據(jù)優(yōu)先權(quán)值判斷各個(gè)花卉傳感 器狀態(tài)信息并按照優(yōu)先級逐次響應(yīng)。可編程邏輯器將傳感器的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行控制處理，并 把處理結(jié)果保存到片內(nèi)可讀可寫存儲器。同時(shí)將處理結(jié)果傳輸?shù)娇删幊踢壿嬈鞯淖x請求信 號端口，該端口通過串口發(fā)送控制命令給對應(yīng)的傳感器，完成多種花卉聯(lián)合智能控制任務(wù)。
[0021] 進(jìn)一步的，如圖3所示，所述驅(qū)動(dòng)電路由輸入電源Vcc、基準(zhǔn)電源Vin、馬達(dá)Ml、二極 管D1、三極管Q1、分壓電阻R7、第一電容C1和第二電容C2組成，所述分壓電阻R7連接于所述 輸入電源Vcc和所述三極管Q1基極之間，所述馬達(dá)Ml、二極管D1和第二電容C2并聯(lián)后連接于 所述基準(zhǔn)電源Vcc和所述三極管Q1集電極之間，所述第一電容C1連接于所述三極管Q1集電 極和發(fā)射極之間，所述三極管Q1發(fā)射極接地。
[0022] 如上基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)控制花卉澆水的方法包括：
[0023] 步驟101，通過光傳感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器分別對花卉外部光 線強(qiáng)度、空氣相對濕度和土壤濕度進(jìn)行采樣。
[0024]步驟102,可編程邏輯器響應(yīng)所述外部光線強(qiáng)度、空氣相對濕度和土壤濕度計(jì)算實(shí) 際澆花因子。
[0025] 具體的，使用如下公式計(jì)算實(shí)際澆花因子r，
[0026]
[0027] 其中，i = l，-_，5，qi表示不同花卉種類對應(yīng)的光權(quán)值，Q表示所述外部光線強(qiáng)度 值，t表示所述空氣相對濕度值，s表示所述土壤濕度值。
[0028] 具體的，所述花卉種類根據(jù)花卉的喜光性分為非常喜光、喜光、正常、喜陰和非常 喜陰，對應(yīng)的光權(quán)值分別用qi、q2、q3、q4、q5表不，所述qi>q2>q3>q4>q5。
[0029]進(jìn)一步的，對植物花丼而言，土壤濕度的影響大于空氣干濕度的影響，同時(shí)也大于 光強(qiáng)的影響。
[0030]步驟103,可編程邏輯器判斷所述實(shí)際澆花因子是否大于規(guī)定的理想澆花因子； [0031 ]具體的將步驟2計(jì)算得到的實(shí)際澆花因子與存儲理想澆花因子比較。
[0032]具體的，理想澆花因子用m表示，本實(shí)施例中，所述理想澆花因子的計(jì)算公式表示 如下：
[0033]
[0034]其中，i = 1，2，…5，j = 1，2，. . .，N，N為同種類的樣本花卉數(shù)目。通過統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)獲得 理想饒花因子m。當(dāng)i確定時(shí)，花丼的喜光特性也就確定，光權(quán)值qi也確定。通過選擇相同的 樣本花卉，進(jìn)行植物需水實(shí)驗(yàn)。
[0035]如下為光線強(qiáng)度值的實(shí)驗(yàn)步驟：
[0036] (1)將選定的樣本花卉在實(shí)驗(yàn)室(實(shí)驗(yàn)室為暗室)靜置24小時(shí)；
[0037] (2)保持空氣干濕度和土壤濕度不變；
[0038] (3)設(shè)光強(qiáng)的最大值為Qmax，最小值為Qmin，并以每小時(shí)光強(qiáng)變化數(shù)值為(Qmax_Q min) / 24對樣本花卉進(jìn)行照射，并記錄花卉酸堿度出現(xiàn)變化，同時(shí)葉片下垂，葉子變黃的時(shí)刻對應(yīng) 的光強(qiáng)Qx數(shù)值；
[0039] (4)重復(fù)步驟（1)~（3)10次：
[0040] (5)求得光強(qiáng)值
[0041 ]如下為空氣相對濕度值的實(shí)驗(yàn)步驟：
[0042] (6)將選定的樣本花卉在實(shí)驗(yàn)室(實(shí)驗(yàn)室為暗室)靜置24小時(shí)；
[0043] (7)保持光強(qiáng)度和土壤濕度不變；
[0044] ( 8 )設(shè)空氣干濕度的最大值為tmax，最小值為tmin，通過使用干燥機(jī)，使得實(shí)驗(yàn)室內(nèi) 每小時(shí)空氣干濕度變化數(shù)值為(tmax-tmin)/24,并記錄花卉酸堿度出現(xiàn)變化，同時(shí)葉片下垂， 葉子變黃的時(shí)刻對應(yīng)的空氣干濕度t x數(shù)值；
[0045] (9)重復(fù)步驟(6)~(8)10次；
[0046] (10)求得空氣相對濕度值
Λ-1
[0047]如下為土壤濕度值的實(shí)驗(yàn)步驟：
[0048] (11)將選定的樣本花卉在實(shí)驗(yàn)室(實(shí)驗(yàn)室為暗室)靜置24小時(shí)；
[0049] (12)保持光強(qiáng)度和空氣干濕度不變；
[0050] (13)設(shè)土壤濕度的最大值為Smax，最小值為Smin，通過配置標(biāo)準(zhǔn)的土壤樣本使得土 壤濕度的變化數(shù)值為(Smax_Smln)/24,觀測樣本花卉，并記錄花卉酸堿度出現(xiàn)變化，同時(shí)葉片 下垂，葉子變黃的時(shí)刻對應(yīng)的土壤濕度值；
[0051] (14)重復(fù)步驟（11)、（12)和（13)10 次；
[0052] (15)求得土壤濕度值
[0053]計(jì)算樣本花卉的理想澆花因子：
[0054]重復(fù)步驟（1)~（15)，求出所有的樣本花卉的光線強(qiáng)度值、空氣相對濕度值和土壤 濕度值，通過公式
汁算得到樣本花卉的理想澆花因子。
[0055] 具體的，所述Qmax、Qmin、tmax、tmin、Smax和Smin均為與實(shí)際選定的傳感器型號有關(guān)的常 數(shù)。
[0056] 步驟104,當(dāng)所述實(shí)際澆花因子大于等于所述理想澆花因子時(shí)所述可編程邏輯器 發(fā)出啟動(dòng)澆水信號；
[0057] 步驟105,所述可編程邏輯器按設(shè)定值自動(dòng)更新光傳感器、空氣干濕度傳感器和土 壤濕度傳感器的采樣周期；
[0058] 具體的，啟動(dòng)澆水前，處于探測階段，光傳感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳 感器的采樣周期可以設(shè)置得長些，如1小時(shí)一次;啟動(dòng)澆水后，由于土壤濕度變化很快，光傳 感器、空氣干濕度傳感器和土壤濕度傳感器的采樣周期需做適當(dāng)調(diào)整，如可修改為5s采樣 一次。
[0059] 步驟106,所述可編程邏輯器響應(yīng)所述外部光線強(qiáng)度、空氣相對濕度和土壤濕度動(dòng) 態(tài)更新實(shí)際澆花因子；
[0060] 步驟107,當(dāng)所述實(shí)際澆花因子小于所述理想澆花因子時(shí)所述可編程邏輯器發(fā)出 停止?jié)菜盘枴?br>[0061] 本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是:通過光傳感器、空氣干濕度傳感 器和土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)獲取花卉的光照、空氣干濕度和土壤濕度，結(jié)合花卉種類，可編程 邏輯器實(shí)時(shí)計(jì)算花卉是否需要澆水，并驅(qū)動(dòng)水栗對花卉進(jìn)行澆水或停止?jié)菜?，同時(shí)可實(shí)現(xiàn) 對多種花卉進(jìn)行聯(lián)合控制澆水。
[0062] 以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用 新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于，包括:可編程邏輯器、用于感 知花卉外部自然光線強(qiáng)度的光傳感器、用于探測空氣相對濕度的空氣干濕度傳感器、用于 探測土壤濕度的土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng)電路、微型馬達(dá)水栗、IXD顯示器、直流電源和外部存 儲器;所述可編程邏輯器分別與所述光傳感器、空氣干濕度傳感器、土壤濕度傳感器、驅(qū)動(dòng) 電路、微型馬達(dá)水栗、IXD顯示器、直流電源和外部存儲器連接;所述驅(qū)動(dòng)電路連接于所述可 編程邏輯器和所述微型馬達(dá)水栗之間，所述微型馬達(dá)水栗輸出端連接有水管。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述光傳感器固定在花卉枝干上并通過第一電阻與所述可編程邏輯器連接。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述空氣干濕度傳感器固定在花卉枝干上并通過第二電阻與所述可編程邏輯器連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述土壤濕度傳感器放置在花卉土壤中并通過第三電阻與所述可編程邏輯器連接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述驅(qū)動(dòng)電路由輸入電源、基準(zhǔn)電源、馬達(dá)、二極管、三極管、分壓電阻、第一電容和第 二電容組成，所述分壓電阻連接于所述輸入電源和所述三極管基極之間，所述馬達(dá)、二極管 和第二電容并聯(lián)后連接于所述基準(zhǔn)電源和所述三極管集電極之間，所述第一電容連接于所 述三極管集電極和發(fā)射極之間，所述三極管發(fā)射極接地。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述直流電源與所述可編程邏輯器之間連接有用于將12V直流電源轉(zhuǎn)換成所述可編程 邏輯器所需電源的DC-DC轉(zhuǎn)換器。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程邏輯器的智能澆花系統(tǒng)，其特征在于： 所述外部存儲器包括Flash存儲器和DDR SDRAM。
【文檔編號】A01G27/00GK205455090SQ201620239198
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發(fā)明人】傅文淵, 凌朝東
【申請人】華僑大學(xué)