基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統及採用該系統實現的澆水方法與流程

2023-06-23 22:39:16

本發明涉及基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統。屬於環境感知和智能控制領域。

背景技術：

智能家居作為一個新產業，已經逐漸進入千家萬戶，人們對家居環境的安全性、舒適性、效率性提出了更高的要求。同時越來越多的家庭要求家居產品不僅具備簡單的智能，更要整個系統在功能拓展和服務方面能夠做到簡單、方便、輕鬆和安全。

盆栽以其可作為裝飾物和淨化空氣的特點，受到許多人的喜愛，但同時也面臨了盆栽難於養活的問題。目前人們使用的澆水系統仍為非智能澆水系統，澆水量和澆水時間不能滿足於植物生長的需求，其次是系統服務對象單一，不能滿足多盆栽同時監控的需求。

技術實現要素：

本發明是為了解決現有的澆水系統的澆水量和澆水時間不能滿足於植物生長的需求，並且不能實現多盆栽同時監控的問題。現提供基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統及採用該系統實現的澆水方法。

基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統，它包括殼體、單片機、土壤溼度傳感器、驅動電路、水泵、步進電機驅動電路和分水系統，

單片機、驅動電路和步進電機驅動電路均位於殼體內，

分水系統包括L型塑料接頭、固定塊、步進電機、絲杆、固定座、舵機、螺母座、支撐底盤和多個轉接頭，

土壤溼度傳感器設置在盆栽中，土壤溼度傳感器的溼度信號輸出端連接單片機的溼度信號輸入端，

單片機的舵機驅動信號輸出端連接舵機的驅動信號輸入端，

單片機的水泵驅動信號輸出端連接驅動電路的驅動信號輸入端，驅動電路的驅動信號輸出端連接水泵，

單片機的電機驅動信號輸出端連接步進電機驅動電路的驅動信號輸入端，步進電機驅動電路的驅動信號輸出端連接步進電機，

支撐底盤為由半圓柱和長方體組成的一體件結構，支撐底盤的半圓柱上開設有一弧形槽，多個轉接頭活動連接在弧形槽內，

舵機固定在支撐底盤上的長方體處，舵機的擺臂用於接收單片機的旋轉角度控制信號，旋轉到預定位置，從而在該位置處進行澆水，

步進電機放置在固定座上，舵機的擺臂通過固定座帶動步進電機旋轉，絲杆的一端穿過固定座的一端圓孔通過聯軸器與步進電機連接，絲杆的另一端穿過螺母座上的螺紋孔與固定座另一端的圓孔連接，

螺母座上開有凹槽，凹槽內用於放置L型塑料接頭，通過固定塊將L型塑料接頭固定在凹槽中，

步進電機，用於接收步進電機驅動電路的驅動信號從而帶動絲杆進行轉動，使絲杆帶動螺母座及其螺母座上的L型塑料接頭下降到預定位置，使L型塑料接頭的一端與轉接頭的入水口對接，水泵將水源處的水從L型塑料接頭的另一端導入，水沿著轉接頭的出水口連接的水管流至對應盆栽處。

根據基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統，它還包括環境溫溼度傳感器，

環境溼度傳感器的溫溼度信號輸出端連接單片機的溫溼度信號輸入端，

環境溼度傳感器用於採集環境中的光照強度，將該光照強度傳給單片機，並與單片機內部設置的光照強度閾值進行比較，當該光照強度高於單片機內部設置的光照強度閾值時，不執行任何動作；當該光照強度不高於單片機內部設置的光照強度閾值時，控制補光模塊對盆栽內植物進行補光。

根據基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統實現的澆水方法，它包括以下步驟：

步驟一、當檢測時間達到系統設定時間後，土壤溼度傳感器檢測盆栽內的土壤溼度，如果該檢測的土壤溼度高於單片機內設置的土壤溼度閾值，則跳過對該盆栽內的土壤溼度監控；如果該檢測的土壤溼度不高於單片機內設置的土壤溼度閾值，則單片機依據設置的盆栽數量，計算出舵機旋轉角度，單片機控制舵機旋轉到預定角度，完成動作後，單片機控制步進電機帶動螺母座下降到預定高度，完成L型塑料接頭與轉接頭的對接；

步驟二、單片機採用PID算法和PWM控制技術控制水泵抽水，完成對該盆栽的澆水任務後，步進電機受單片機控制而反向旋轉，直至L型塑料接頭與轉接頭脫離；

步驟三、步驟一至步驟二，對下一盆栽進行土壤溼度監控，直至所有盆栽的土壤溼度監控完成後，舵機復位，等待下一次執行命令。

本發明的有益效果為：

舵機接收來自單片機的旋轉角度控制信號，旋轉到預定位置，步進電機接收來自單片機的控制信號，帶動螺母座及其螺母座上的L型塑料接頭下降到預定位置，使L型塑料接頭的一端與轉接頭入水口連接，驅動電路接收單片機的驅動信號而驅動水泵抽水，水泵將來自水源處的水導入到L型塑料接頭的出水口處，而後被引到轉接頭的入水口處水將沿著轉接頭出水口處流至對應盆栽處。單片機採集土壤溼度信息，完成一盆盆栽的監控，循環可實現監控多盆盆栽的任務。

單片機在控制水泵抽水量的過程中，採用PWM控制技術驅動水泵，同時單片機檢測土壤溼度。土壤溼度為輸入量，控制方波信號佔空比為輸出量，水泵為控制對象，使用PID算法，實現高精度控制澆水量。

使用一個環境溫溼度傳感器或者光照強度傳感器採集環境中的光照強度，將該光照強度傳給單片機，並與單片機內部設置的光照強度閾值進行比較，當該光照強度高於單片機內部設置的光照強度閾值時，補光模塊不工作，即不執行任何動作；當該光照強度不高於單片機內部設置的光照強度閾值時，控制補光模塊對盆栽內植物進行補光。

該系統能夠周期性的監控盆栽溼度、儲水裝置，自動化程度高。

該系統結構簡單，自動化程度高，功耗低，節約了資源和時間。

附圖說明

圖1為具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統的原理示意圖；

圖2為分水系統的結構示意圖；

圖3為支撐底盤的結構示意圖；

圖4為轉接頭的結構示意圖；

圖5為舵機的結構示意圖；

圖6為固定座的結構示意圖；

圖7為螺母座的結構示意圖；

圖8為步進電機和絲杆的連接結構圖；

圖9為固定塊的結構示意圖；

圖10為L型塑料接頭的結構示意圖；

圖11為殼體前面板的界面圖。

具體實施方式

具體實施方式一：參照圖1至圖10具體說明本實施方式，本實施方式所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統，它包括殼體、單片機1、土壤溼度傳感器2、驅動電路5、水泵6、步進電機驅動電路和分水系統，

單片機1、驅動電路5和步進電機驅動電路均位於殼體內，

分水系統包括L型塑料接頭7、固定塊8、步進電機9、絲杆10、固定座11、舵機4、螺母座12、支撐底盤13和多個轉接頭14，

土壤溼度傳感器2設置在盆栽中，土壤溼度傳感器2的溼度信號輸出端連接單片機1的溼度信號輸入端，

單片機1的舵機驅動信號輸出端連接舵機4的驅動信號輸入端，

單片機1的水泵驅動信號輸出端連接驅動電路5的驅動信號輸入端，驅動電路5的驅動信號輸出端連接水泵6，

單片機1的電機驅動信號輸出端連接步進電機驅動電路的驅動信號輸入端，步進電機驅動電路的驅動信號輸出端連接步進電機9，

支撐底盤13為由半圓柱和長方體13-1組成的一體件結構，支撐底盤13的半圓柱上開設有一弧形槽13-2，多個轉接頭14活動連接在弧形槽13-2內，

舵機4固定在支撐底盤13上的長方體13-1處，舵機4的擺臂4-1用於接收單片機1的旋轉角度控制信號，旋轉到預定位置，從而在該位置處進行澆水，

步進電機9放置在固定座11上，舵機4的擺臂4-1通過固定座11帶動步進電機9旋轉，絲杆10的一端穿過固定座11的一端圓孔11-3通過聯軸器與步進電機9連接，絲杆10的另一端穿過螺母座12上的螺紋孔12-2與固定座11另一端的圓孔11-3連接，

螺母座12上開有凹槽12-1，凹槽12-1內用於放置L型塑料接頭7，通過固定塊8將L型塑料接頭7固定在凹槽12-1中，

步進電機9，用於接收步進電機驅動電路的驅動信號從而帶動絲杆10進行轉動，使絲杆10帶動螺母座12及其螺母座12上的L型塑料接頭7下降到預定位置，使L型塑料接頭7的一端7-1與轉接頭14的入水口14-4對接，水泵6將水源處的水從L型塑料接頭7的另一端7-2導入，水沿著轉接頭的出水口14-5連接的水管流至對應盆栽處。

本實施方式中，殼體內還有wifi模塊，該wifi模塊連接單片機串口，圖11中的殼體前面板上的WIFI初次配對開關與殼體內的wifi模塊連接。wifi模塊，用於與當前環境下的wifi信號進行連接，連接後能夠在顯示器上實時對數據進行監控。

殼體操作面板的操作為：

按下電源按鍵，啟動伺服器。初次使用需寫入wifi名稱和密碼，將PS2鍵盤插入PS2接口，在打開系統電源打開前將wifi設置開關打開，待液晶屏顯示填寫界面時即可通過鍵盤填入伺服器所連入的網絡及網絡密碼，完成填寫後關閉wifi設置開關，待系統保存網絡數據並接入網絡後，顯示屏顯示「設置完成歡迎使用」時可按下左或右界面切換鍵，進入進入土壤溼度監控界面或環境信息界面。

選擇功能鍵切換調節對象，選擇「+」鍵或「-」鍵設置參數值。

在土壤溼度監控界面時，選擇功能鍵設置調整模式：

在模式1中對1號接口所連接的盆栽的土壤溼度閾值進行設置。

在模式2中對2號接口所連接的盆栽的土壤溼度閾值進行設置。

在模式3中對3號接口所連接的盆栽的土壤溼度閾值進行設置。

在模式4中對檢測周期進行設置調節範圍0～999min。

設置完成後，將模式切換至模式0自動監控模式，系統自動保存參數。

在環境信息界面時，選擇功能鍵設置調節模式：

在模式1中對光照強度閾值進行設置。

在模式2、模式3和模式4中分別對當前時間的秒、分和時進行設置。

在模式5中選擇液晶屏背光燈是否點亮。

設置完成後，將模式切換至模式0自動監控模式，系統自動保存參數。

查詢系統IP位址，打開移動端瀏覽器，在地址欄輸入地址，格式為IP:埠

回車進入，設置用戶名和登錄密碼後即可進入網頁控制端，在網頁控制端可實時顯示盆栽信息土壤溼度、環境溫溼度，可以動態數據和動態圖像顯示，且可以發送控制指令控制檢測周期。

本實施方式中，固定塊8包括半圓柱體、兩個直邊和四個螺釘8-2組成，

半圓柱體的兩端分別連接一個直邊，且半圓柱體和兩個直邊為一體件結構8-1，每個直邊上分別穿入兩個螺釘8-2，

螺母座12上凹槽12-1的兩側分別開有兩個螺紋孔12-3，固定塊8上的四個螺釘8-2用於分別穿入螺母座12上的四個螺紋孔12-3中，從而將固定塊8和螺母座12之間的L型塑料接頭7固定住。

本實施方式中，wifi模塊、L298N驅動電路、時鐘模塊、步進電機驅動電路、OLED顯示屏、鍵盤、PS2接口、穩壓電路、環境溼度傳感器和STC12C5A60S2單片機均設置在殼體內的主控電路板上。

具體實施方式二：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，轉接頭14包括兩個圓盤14-1、兩個等徑螺絲14-2、通管14-3和L型導管14-5，

兩個圓盤14-1上均開有一個通孔14-4，兩個圓盤14-1上的通孔14-4通過通管14-3連接，通管14-3活動連接在在弧形槽13-2內，底部的圓盤14-1固定連接L型導管14-5的一端，L型導管14-5的另一端為轉接頭14的出水口，

兩個等徑螺絲14-2穿在兩個圓盤14-1之間，兩個等徑螺絲14-2，用於將轉接頭14固定在弧形槽13-2內。

本實施方式中，L型導管14-5內側為螺紋狀，方便外接接口並與水管連接。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，固定座11為由U型板11-1和卡槽11-2連接成的一體件結構，步進電機9放置在U型板11-1上，舵機4的擺臂4-1插入到卡槽11-2內，U型板11-1的兩個側壁上設置有相對稱的圓孔11-3，

絲杆10的一端穿過U型板11-1上的一個圓孔11-3通過聯軸器與步進電機9連接，絲杆10的另一端穿過螺母座12上的螺絲孔與U型板11-1上的另一個圓孔11-3連接。

本實施方式中，圓孔11-3處安裝有滑輪，安裝滑輪的目的是用於減小絲槓10與固定座11之間的轉動摩擦阻力，絲槓10穿插在滑輪上。

本實施方式中，舵機臂穿插在固定座卡槽11-2中，且受兩顆螺絲束縛並固定。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，單片機1內部採用PID算法和PWM控制技術控制水泵6抽水。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，驅動電路5採用型號為L298N的驅動晶片實現，單片機1採用型號為STC12C5A60S2的晶片實現。

具體實施方式六：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，步進電機9受步進電機驅動電路的驅動能夠實現正向旋轉和反向旋轉，正向旋轉時，使L型塑料接頭下降，L型塑料接頭7的一端7-1與轉接頭14的入水口14-4對接，反向旋轉時，使L型塑料接頭上升，脫離轉接頭8的入水口8-1。

具體實施方式七：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，根據監控的盆栽數，每相鄰的兩個轉接頭14之間的間隔角度為180/盆栽數-1，其中，位於弧形槽13-2兩端的轉接頭14位置固定。

具體實施方式八：本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，它還包括環境溫溼度傳感器3，

環境溼度傳感器3的溫溼度信號輸出端連接單片機1的溫溼度信號輸入端，

環境溼度傳感器3用於採集環境中的光照強度，將該光照強度傳給單片機1，並與單片機1內部設置的光照強度閾值進行比較，當該光照強度高於單片機1內部設置的光照強度閾值時，不執行任何動作；當該光照強度不高於單片機1內部設置的光照強度閾值時，控制補光模塊對盆栽內植物進行補光。

具體實施方式九：參照圖11具體說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一所述的基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統作進一步說明，本實施方式中，殼體內還包括時鐘模塊、電源模塊、顯示屏接口和PS2接口，

單片機1的時鐘信號輸出端連接時鐘模塊的時鐘信號輸入端，時鐘模塊，用於提供當前時間，

顯示屏接口的顯示信號輸入端連接單片機1的顯示信號輸出端，顯示屏接口，用於連接外部顯示屏，單片機1的鍵盤接口信號輸出端連接PS2接口的鍵盤接口信號輸入端，PS2接口用於連接外部PS2鍵盤，電源模塊用於給單片機1供電，

殼體的前面板上設置有電源按鍵和功能鍵，該電源按鍵與電源模塊的電源信號輸入端連接，功能鍵，用於在單片機1設置土壤溼度閾值和設置光照強度閾值，土壤溼度傳感器2採集的土壤溼度值與土壤溼度閾值比較，從而使分水系統實現澆水，環境溫溼度傳感器3採集的環境光照強度與設置光照強度閾值比較，對植物進行智能補光。

本實施方式中，圖11中的操控面板上，設置了5鍵鍵盤，即「+」鍵、「-」鍵、「﹤」鍵、「﹥」鍵和功能鍵，

「+」鍵和-」鍵用於數值調整；「﹤」鍵和「﹥」鍵，用於數值調整；功能鍵，用於選擇調整對象。

具體實施方式十：本實施方式是根據具體實施方式一至七中任一項所述的根據基於物聯網技術的可攜式智能澆水系統實現的澆水方法，本實施方式中，它包括以下步驟：

步驟一、當檢測時間達到系統設定時間後，土壤溼度傳感器2檢測盆栽內的土壤溼度，如果該檢測的土壤溼度高於單片機1內設置的土壤溼度閾值，則跳過對該盆栽內的土壤溼度監控；如果該檢測的土壤溼度不高於單片機1內設置的土壤溼度閾值，則單片機1依據設置的盆栽數量，計算出舵機旋轉角度，單片機1控制舵機4旋轉到預定角度，完成動作後，單片機1控制步進電機9帶動螺母座12下降到預定高度，完成L型塑料接頭7與轉接頭14的對接；

步驟二、單片機1採用PID算法和PWM控制技術控制水泵抽水，完成對該盆栽的澆水任務後，步進電機9受單片機1控制而反向旋轉，直至L型塑料接頭7與轉接頭14脫離；

步驟三、步驟一至步驟二，對下一盆栽進行土壤溼度監控，直至所有盆栽的土壤溼度監控完成後，舵機4復位，等待下一次執行命令。

本實施方式中，對每個花盆內的土壤溼度傳感器2進行依次監控，同時單片機能夠控制水泵澆水，從而實現循環監控多盆盆栽的任務。

環境溫溼度傳感器3又能夠採集光照強度與單片機內部設定的閾值進行比較，在光強不高於設定閾值的情況下，又能對植物進行智能補光，智能化程度高。