文献综述-自动浇花系统

本科毕业设计 （文献综述）

题 目 自动浇花系统的设计 姓 名 刘富强 专 业 自动化 学 号 ********* 指导教师 赵明冬

郑州科技学院 电气工程学院 二○一四年五月

文献综述

自动浇花系统的设计文献综述

1 前言

现在生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，在家里养盆花能够陶冶情操，使生活多姿多彩。而且，盆花通过光合作用能吸收二氧化碳，净化空气，在有花草的地方空气中阴离子聚积较多，所以空气也会特别清新，另外，有许多花木还可吸收空气中的有害气体，因此，如今许多的人喜爱养盆花。随着我国房地产的发展，近年来出现高档住宅社区和别墅区，一部分拥有了私家花园，家庭式的浇灌在国内也没正式的起步，和人们现在的生活压力大，没有时间来照看自己家的花卉和小草，但是人们现在生活的环境中太多的电子产品，影响我们的身体健康，所以我们不得不养些花花草草的，还可以陶冶一下情操。[1]然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时的为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放办公室等处没人管理导致花木枯死。水是植物生存、生长的最基本的需要.花卉生长所需的水分，大部分是从土壤中吸收来的，保持土壤适当的含水量，是花卉正常发育和获得更高观赏品质的必要条件。常见的花卉按其需水习性和对不同水分环境的适应能力，可分为水生花卉、湿生花卉、中生花卉和旱生花卉四种。不同的花卉我们需要浇的水量也不一样。不同的花卉需水量不同，相同的花卉在不同的生长阶段所需的水量也是不尽相同的。花卉对土壤水分的要求在各生长阶段不同而不同。我们要根据花卉的生长季节及生长期合理安排。综上所述，盆花的合理浇水就显得尤为重要。[2]

随着自动化设备的不断完善，各种自动浇花装置也不时的涌入社会。根据土壤湿度传感器设计的花卉自动浇水系统能根据作物及其不同生长阶段对环境条件的具体需要，随时调整控制花卉土壤湿度，让花卉能良好生长。

2 自动浇花系统的设计要求

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能够检测土壤湿度，当湿度小于设定值时，进行浇水。对土壤湿度的检测要能够灵敏的反应出土壤中的含水量变化并快速做出反应，当土壤中的含水量小于按键设定的设定值时对花卉进行浇水。上下限湿度值通过按键设定。

3 土壤检测技术

3.1 烘干法

烘干法也即土钻法(SA)是一直被公认的最经典和最精确的方法，因操作简单曾得到广泛应用，是直接测定的方法。

3.1.1 测定方法

经典的方法是烘箱烘干法，即取土样放入烘箱，在105-110℃条件下，烘至恒重，为烘干土重，以此为基础计算水分重(蒸发损失量)的百分比(%)，从而获得土壤水分含量。[3]

烘干法通常还有所谓的快速测定法，其程序与常规法相同，实质仍是采用一些手段使土样烘至恒重的时间尽可能缩短，如酒精燃烧法、红外线法、炉烤法等。

3.1.2 方法的应用及优缺点

烘干法是测定土壤含水量最普遍的方法，也是目前国际上的标准方法。烘干法的优点是对设备要求不严，就样品本身而言结果可靠。缺点是费时、费力，综合费用并不低；取样会破坏土壤，深层取样困难，定点测量时不可避免由取样换位而带来误差，在很多情况下不可能长期定点监测，受土壤空间变异性影响也比较大，采用酒精燃烧法，由于需要翻炒多次，极为不便，不适合用于细粒土和含有有机物的土，且容易掉落土粒或燃烧不均匀而带来较大误差，如果测量目的是用于灌溉，还必须知道土壤各层次的水容量。[4]

3.2 中子仪法

中子法测定土壤含水量是七十年代中期兴起的一种新的土壤水分测试技术，八十年代中期在我国的一些科研院所和高等学校开始使用。这种技术主要

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应用于农田灌溉管理的田间水分测定，以及工程地质工作中土壤深层水分的野外测定等方面。

3.2.1 测定方法

中子仪测定土壤水分的基本原理是：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，土壤中水分含量越高，氢就越多，从而慢中子云密度就越大。中子仪测定水分就是通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系来确定土壤中的水分含量。

3.2.2 方法的应用及优缺点

中子法在20世纪50年代就被用于测定土壤含水量，此后，世界上很多国家对此进行研究，使中子法日趋完善。利用中子仪测定土壤水分含量不必采土，不破坏土壤结构；可定点连续监测，从而得到该样点土壤水分动态运动规律；不受土壤水分物理状态影响且快速准确，无滞后现象，测深不限；中子仪还可与自动记录系统和计算机连接，因而成为田间原位测定土壤含水量较好的方法，并得到广泛应用。但中子仪测定时，室内外曲线差异较大，且田间不同的土壤物理性质，如容重不同、土壤质地不同都会造成曲线较大的移动，研究表明中子仪垂直分辨率较差；没有特殊措施时不能测定地表(0-20cm)土壤含水量；同时中子仪价格昂贵，存在潜在的辐射危害，因此不能广泛应用。

3.3 时域反射仪法（TDR）法

TDR法(Time Domain Reflectometry，时域反射法)是新近发展起来的一种测定土壤含水量的方法，具有不破坏样本、快速、容易操作等优点，并可做到信息转换而达到数据自动采集的目的，因而很快为人们所接受。[7]

3.3.1 测定方法

TDR法是依据电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是取决于土壤中含水量和电导率。与土壤中的固体颗粒和空气相比，水的介电常数在土壤中处于支配地位，因此土壤水分含量越高，介电常数值就越大，沿波导棒的电磁波传播时间就越长，通过测定土壤中高频电

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磁脉冲沿波导棒的传播时间后再计算出传播速度，进而就可以确定出土壤容积含水量。

3.3.2 方法的应用及优缺点

TDR法是20世纪60年代末出现的一种确定介电特性的测定方法。用TDR测定了脉冲波的传播时间，并得出该传播时间在大部分土壤中与土壤含水量成比例的结论。TDR仪测定的土壤表层的含水量比中子仪所测定的精度要高得多。即它的垂直分辨率高，并以其快速、准确、安全(无任何辐射)、方便、一般不需标定、便于自动控制等特点受到极大的推崇。

其实土壤水分检测技术还有很多，有张力计法和电测法，计算机断层扫描法，探地雷达法，核磁共振法，分离示踪剂法，遥感法等等。

4 自动浇水技术

4.1基于PC机技术的研究

随着计算机技术日新月异的发展，PC机不仅能用于科学计算、数据处理等方面，也广泛地用于工业生产的自动控制，花卉的自动浇水就需要实时检测土壤湿度。所谓“实时”是指及时响应随机发生的外部事件的请求，并且以足够快的速度完成对外部事件的处理，控制所有实时设备和实时任务协调一致地运行。实时系统的主要特征就是实时性和可靠性。随着PC机性能和可靠性的不断提高，PC机广泛地应用于实时系统中，而现行基于PC的通用操作系统(例如WINDOW S系统)均不具备较好的实时性，不能满足大多数实时系统的时间性指标。为了能够实现主控PC机和任务PC机之间的数据交换，必须开发WINDOWS和实时操作系统不同平台下数据交换的通信协议，它可以基于串口，并口，网卡和USB等I/O设备。[9]

4.2基于PIC系列单片机技术的研究

PIC系列单片机是由美国Microchip公司生产的，其中运用最为广泛的是PIC16C57系列单片机，关于该单片机的应用有很多。该单片机采用简洁的RISC 结构，两级指令流水线，结构可在一个周期内同时完成一条指令的执行和下一条指令的取指；采用哈佛双总线的存储结构，使数据和指令传输总线完全分开，

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避免了瓶颈问题的出现；本身带有8位的A/D转换部件，具有同步串行口模块。解决了传感器因结垢而检测不准，显示器显示乱码，因干扰而造成电磁阀等执行机构误操作等一些问题，能较好的运用与花卉自动浇水系统，但是编程和传统51单片机有一定区别，不能较快的掌握。

4.3基于MCS-51单片机技术的研究

MCS-51系列单片机是众人较为熟悉的单片机，就是运用了AT89C51单片机，该单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等一台计算机所需要的基本功能部件，编程较为简单[18]。基于此系列单片机的智能控制系统通过合理配置硬件, 设计软件, 设计出一套价格低廉、自动化程度高的花卉自动浇水系统，操作方便，控制灵活的控制器性价比高、使用方便、市场货源充足，有较大的发展前景。

5 花卉自动浇水系统的主要应用

花卉自动浇水系统的应用是很广泛的。它不仅仅可以用在家养的盆花，经过改造之后还可以用在农田等地。我们平时常见的滴灌技术其实也是花卉自动浇水系统的变相用法。最近10年，滴灌技术在我国发展速度已居世界前列，滴灌目前主要应用在大田(棉花、玉米、葡萄、辣椒等)温室大棚果园及绿化带等近年来，滴灌应用领域出现了一些新的变化势头，由温室大棚室内小单元滴灌向室外露地的大单元滴灌扩展；由平地大面积滴灌向山区陡地发展；由蔬菜滴灌向多种经济作物滴灌延伸；由农场集中大面积向农村小面积分散发展；滴灌由原来的高附加值作物向一般经济作物普及。此外，公路铁路沿线和荒漠风沙治理绿化也开始陆续采用滴灌滴灌还进一步应用在城市绿地林木屋顶花园等非农领域，尽管用量较少，但却为滴灌的今后推广提供了更为广阔的市场切入点，相信伴随社会主义新农村建设的推进和建设节约型社会的发展要求，滴灌技术的应用会更加普及。

自动化滴灌系统是世界先进国家发展高效农业节水的重要举措，以色列、日本、美国等一些国家都已采用先进的节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，通过采用遥感，传感器来监测土壤墒情和作物生长，对灌溉区用水进行监测预报，实现水管理的自动遥控，对灌溉区实行动态管理，实现农

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业灌溉用水管理的自动化。在农业灌溉区域合理地推广自动化控制系统，尤其在干旱、半干旱地区，不仅可以提高水资源利用率、缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率，将水源开发、输配水、灌溉技术、水资源合理利用和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑，综合多种因素合理调配水资源。因此，研制和推广农业节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的迫切需要。[10]

6 花卉自动浇水系统的发展前景

随着社会的不断发展自动化设备已经是越来越普遍，当然花卉自动浇水系统也会得到广泛应用。人们总会因为繁忙忘了自己心爱的盆花，或是因为照顾不够周全以致花枯萎掉，自动化浇水系统就很好地解决了这一问题。花卉自动浇水系统可以根据需要调节湿度范围，这也是根据不同植物的需水习性设计的。在今后的生活中，它将不再局限于花卉方面的应用，还可以用于农田的农作物中。

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参考文献

[1] 王凌.浅谈盆花浇水[J].陕西农业科学,2006,(09):65-68.

[2] 张晓虎,李新平.几种常用土壤含水量测定方法的研究发展[J].陕西农业科

学,2008(06):114-117.

[3] 扬文进,冯志彪.一种基于PC机的实时系统设计和实现[J].微型电脑应用,2003,(04):33-35. [4] 张云生.实时控制系统软件设计原理及应用[M].国防工业出版社,1998,(07):25-28. [5] 蔡德聪,周德泽.工业控制计算机实时操作系统[M].清华大学出版社,1999,(07):25-28. [6] 李秉玉.单片机控制的土壤湿度电路[J].武汉工业学院学报，2003,(03):54-55.

[7] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，

1993,(09):35-40.

[8] 张婷,白安龙.自动化滴灌系统在新疆农业灌溉中的应用前景[J].石河子科技，

2009,(01):18-19.

[9] 王峰.家用智能型浇灌系统[J].家庭电子，2005,(03):56-64. [10] 唐文彦.传感器[M].北京机械工业出版社，2006,(09):21-25.

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