基于可编程逻辑器的智能浇花系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于可编程逻辑器的智能浇花系统，包括可编程逻辑器、用于感知花卉外部自然光线的强度的光传感器、用于探测空气的干湿度的空气干湿度传感器、用于探测土壤的湿度的土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水泵、LCD显示器、直流电源和外部存储器；所述可编程逻辑器分别与所述光传感器、空气干湿度传感器、土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水泵、LCD显示器、直流电源和外部存储器连接；所述驱动电路连接于所述可编程逻辑器和所述微型马达水泵之间，所述述微型马达水泵输出端连接有水管。实现了根据花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度判断花卉浇水需求，并可对多种花卉进行联合控制浇水。
【专利说明】
基于可编程逻辑器的智能浇花系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及盆栽种植技术领域，特别涉及一种基于可编程逻辑器的智能浇花 系统。
【背景技术】
[0002] 现有的自动浇花系统普遍采用预先设定固定浇水量方法，部分系统可以根据监测 土壤的湿度自动开启水栗进行浇水。预先设定固定浇水量的系统通过单片机设定固定时间 长度进行浇水。监测土壤湿度浇水系统采用单片机进行控制，单片机连接土壤湿度传感器， 监测传感器湿度变化值，通过外接水栗电机控制芯片驱动水栗电机进行浇水;单片机接收 传感器探测的土壤湿度值，再根据预置的土壤湿度参考值和土壤温度值，判断是否需要浇 花，在判断需要浇花时，驱动水栗浇花。例如，专利号为ZL201220706800. 1、专利号 CN203226113 U、专利号CN 102960218 A中公开的自动浇水系统，根据预置固定的土壤湿度 参考值和土壤温度值，判断是否需要浇花，在判断需要浇花时，驱动水栗启动浇花。现有浇 花系统没有综合花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度性能指标同时进行定制浇水，浇灌 过程具有盲目性及随意性的特点。花卉生长过程中，浇水量的多少影响花卉生长速度，如果 浇水量过多或过少都将导致花卉生长不正常，甚至死亡。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于可编程逻辑器的智能 浇花系统，根据花卉种类、光照、空气干湿度和土壤湿度实时计算花卉是否需要浇水，并驱 动水栗对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现对多种花卉进行联合控制浇水。
[0004] 本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种基于可编程逻辑器的智能浇花系统，包括可编程逻辑器、用于感知花卉外部 自然光线强度的光传感器、用于探测空气相对湿度的空气干湿度传感器、用于探测土壤湿 度的土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水栗、IXD显示器、直流电源和外部存储器;所述 可编程逻辑器分别与所述光传感器、空气干湿度传感器、土壤湿度传感器、驱动电路、微型 马达水栗、LCD显示器、直流电源和外部存储器连接;所述驱动电路连接于所述可编程逻辑 器和所述微型马达水栗之间，所述述微型马达水栗输出端连接有水管。
[0006] 所述光传感器固定在花卉枝干上并通过第一电阻与所述可编程逻辑器连接。
[0007] 所述空气干湿度传感器固定在花卉枝干上并通过第二电阻与所述可编程逻辑器 连接。
[0008] 所述土壤湿度传感器放置在花卉土壤中并通过第三电阻与所述可编程逻辑器连 接。
[0009] 所述驱动电路由输入电源、基准电源、马达、二极管、三极管、分压电阻、第一电容 和第二电容组成，所述分压电阻连接于所述输入电源和所述三极管基极之间，所述马达、二 极管和第二电容并联后连接于所述基准电源和所述三极管集电极之间，所述第一电容连接 于所述三极管集电极和发射极之间，所述三极管发射极接地。
[0010] 所述直流电源与所述可编程逻辑器之间连接有用于将12V直流电源转换成所述可 编程逻辑器所需电源的DC-DC转换器。
[0011] 所述外部存储器包括Flash存储器和DDR SDRAM。
[0012] 本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：
[0013] 通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器实时获取花卉的光照、空气 干湿度和土壤湿度，结合花卉种类，可编程逻辑器实时计算花卉是否需要浇水，并驱动水栗 对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现对多种花卉进行联合控制浇水。
[0014] 以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步详细说明，但本实用新型的一种基 于可编程逻辑器的智能浇花系统不局限于实施例。
【附图说明】
[0015] 图1为本实用新型系统的结构框图；
[0016] 图2为本实用新型所述的多种花卉联合控制浇水简要电路图；
[0017] 图3为本实用新型所述的驱动电路图。
【具体实施方式】
[0018] 如图1所示，一种基于可编程逻辑器的智能浇花系统，包括可编程逻辑器、用于感 知花卉外部自然光线强度的光传感器、用于探测空气相对湿度的空气干湿度传感器、用于 探测土壤湿度的土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水栗、IXD显示器、直流电源和外部存 储器;所述可编程逻辑器分别与所述光传感器、空气干湿度传感器、土壤湿度传感器、驱动 电路、微型马达水栗、IXD显示器、直流电源和外部存储器连接;所述驱动电路连接于所述可 编程逻辑器和所述微型马达水栗之间，所述述微型马达水栗输出端连接有水管;所述直流 电源与所述可编程逻辑器之间连接有用于将12V直流电源转换成所述可编程逻辑器所需电 源的DC-DC转换器;所述外部存储器包括Flash存储器和DDR SDRAM。所述光传感器和所述空 气干湿度传感器固定在花卉枝干上，所述土壤湿度传感器放置在花卉土壤中。
[0019] 具体的，所述可编程逻辑器选择Altera公司的EP3C25F324。该器件有324个输入输 出接口，FBGA封装，是第三代低价高性能的FPGA。控制花卉浇水系统的具体架构为，12V的直 流电源经过DC-DC转换器转化为3.3V、2.5V、1.8V、1.25V和1.2V直流电源供给可编程逻辑 器，分别与FPGA的￥(^33、￥(^25、￥(^18、￥(^125和￥(^12引脚连接。所述光传感器、空气干湿 度传感器和土壤湿度传感器的输入和输出分别与可编程逻辑器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_ D5引脚连接。外部晶体振荡器给系统提供50MHz的时钟，接入可编程逻辑器的CLK引脚。由于 可编程逻辑器输出的带负载能力不足，因此本系统将HSMC_D19引脚接入所述驱动电路，用 以驱动所述微型马达水栗向花卉浇水或停止浇水。所述外部存储器采用Flash 32MB的容量 和32MB DDR SDRAM。其中，Flash用来存放样本花卉数目，双向16位数据进行交换，与可编程 逻辑器的引脚FLASH_DQ[0. . 15]连接。Flash存储具有体积小、功耗低和数据安全的特点。为 了使样本数据能准确写入，避免在页与页的交替时间内数据丢失，利用EP3C25F324内部的 RAM构成双端口RAM和DDR SDRAM作为数据缓存，然后再导入Flash中存储。其中DDR SDRAM的 容量为32MB，与FPGA内部的DDR_DQ[0..15]连接。读取Flash采用并行模式主动读取方式，此 时能直接对Flash控制总线和数据总线进行操作。由于Flash存储器采用块擦除模式，因此 擦除速度快，当需要更新花卉样本数据时，块内数据能快速擦除并更新。所述LCD显示器显 示相应的花卉名称、种类、喜光性，并与可编程逻辑器的DR2M引脚连接。
[0020] 进一步的，如图2所示为实现多种花卉联合控制的简要电路图。图2中，可编程逻辑 器的HSMC_D1、HSMC_D3、HSMC_D5接口分别用于接入第一种花卉的光传感器、空气干湿度传 感器和土壤湿度传感器，所述HSMC_D1接口与所述光传感器之间连接有第一电阻R1，所述 HSMC_D3接口与所述空气干湿度传感器之间连接有第二电阻R2，所述HSMC_D5接口与所述土 壤湿度传感器之间连接有第三电阻R3,使用所述第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3可 以提高总线的驱动能力。同时，在光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的电源输 入端分别设置上拉电阻R4、R5和R6,提高电压的容噪能力。对应的，可编程逻辑器的HSMC_ D7、HSMC_D9、HSMC_D11接口分别用于接入第二种花卉的光传感器、空气干湿度传感器和土 壤湿度传感器，HSMC_D 13、HSMC_D 15、HSMC_D 17接口分别用于接入第三种花卉的光传感器、 空气干湿度传感器和土壤湿度传感器。在可编程逻辑器中，预先设置各个接口所接花卉的 理想花卉因子及喜光性。具体过程是:可编程逻辑器控制多种花卉时，要确保每种花卉对应 的光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器能与可编程逻辑器实时双向传输。当花 卉传感器采集的数据改变，则将可编程逻辑器的写请求信号置为高电平，通过数据总线将 采集数据传输到可编程逻辑器内部处理。若在同一时间周期内有多种花卉传感器的采集数 据改变，则可编程逻辑器按照传感器响应时刻的先后设置优先权值。响应时刻越早，优先权 值越大。可编程逻辑器及时响应花卉传感器的中断请求，根据优先权值判断各个花卉传感 器状态信息并按照优先级逐次响应。可编程逻辑器将传感器的采集数据进行控制处理，并 把处理结果保存到片内可读可写存储器。同时将处理结果传输到可编程逻辑器的读请求信 号端口，该端口通过串口发送控制命令给对应的传感器，完成多种花卉联合智能控制任务。
[0021] 进一步的，如图3所示，所述驱动电路由输入电源Vcc、基准电源Vin、马达Ml、二极 管D1、三极管Q1、分压电阻R7、第一电容C1和第二电容C2组成，所述分压电阻R7连接于所述 输入电源Vcc和所述三极管Q1基极之间，所述马达Ml、二极管D1和第二电容C2并联后连接于 所述基准电源Vcc和所述三极管Q1集电极之间，所述第一电容C1连接于所述三极管Q1集电 极和发射极之间，所述三极管Q1发射极接地。
[0022] 如上基于可编程逻辑器的智能浇花系统控制花卉浇水的方法包括：
[0023] 步骤101，通过光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器分别对花卉外部光 线强度、空气相对湿度和土壤湿度进行采样。
[0024]步骤102,可编程逻辑器响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度计算实 际浇花因子。
[0025] 具体的，使用如下公式计算实际浇花因子r，
[0026]
[0027] 其中，i = l，-_，5，qi表示不同花卉种类对应的光权值，Q表示所述外部光线强度 值，t表示所述空气相对湿度值，s表示所述土壤湿度值。
[0028] 具体的，所述花卉种类根据花卉的喜光性分为非常喜光、喜光、正常、喜阴和非常 喜阴，对应的光权值分别用qi、q2、q3、q4、q5表不，所述qi>q2>q3>q4>q5。
[0029]进一步的，对植物花丼而言，土壤湿度的影响大于空气干湿度的影响，同时也大于 光强的影响。
[0030]步骤103,可编程逻辑器判断所述实际浇花因子是否大于规定的理想浇花因子； [0031 ]具体的将步骤2计算得到的实际浇花因子与存储理想浇花因子比较。
[0032]具体的，理想浇花因子用m表示，本实施例中，所述理想浇花因子的计算公式表示 如下：
[0033]
[0034]其中，i = 1，2，…5，j = 1，2，. . .，N，N为同种类的样本花卉数目。通过统计实验获得 理想饶花因子m。当i确定时，花丼的喜光特性也就确定，光权值qi也确定。通过选择相同的 样本花卉，进行植物需水实验。
[0035]如下为光线强度值的实验步骤：
[0036] (1)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；
[0037] (2)保持空气干湿度和土壤湿度不变；
[0038] (3)设光强的最大值为Qmax，最小值为Qmin，并以每小时光强变化数值为(Qmax_Q min) / 24对样本花卉进行照射，并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片下垂，叶子变黄的时刻对应 的光强Qx数值；
[0039] (4)重复步骤（1)~（3)10次：
[0040] (5)求得光强值
[0041 ]如下为空气相对湿度值的实验步骤：
[0042] (6)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；
[0043] (7)保持光强度和土壤湿度不变；
[0044] ( 8 )设空气干湿度的最大值为tmax，最小值为tmin，通过使用干燥机，使得实验室内 每小时空气干湿度变化数值为(tmax-tmin)/24,并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片下垂， 叶子变黄的时刻对应的空气干湿度t x数值；
[0045] (9)重复步骤(6)~(8)10次；
[0046] (10)求得空气相对湿度值
Λ-1
[0047]如下为土壤湿度值的实验步骤：
[0048] (11)将选定的样本花卉在实验室(实验室为暗室)静置24小时；
[0049] (12)保持光强度和空气干湿度不变；
[0050] (13)设土壤湿度的最大值为Smax，最小值为Smin，通过配置标准的土壤样本使得土 壤湿度的变化数值为(Smax_Smln)/24,观测样本花卉，并记录花卉酸碱度出现变化，同时叶片 下垂，叶子变黄的时刻对应的土壤湿度值；
[0051] (14)重复步骤（11)、（12)和（13)10 次；
[0052] (15)求得土壤湿度值
[0053]计算样本花卉的理想浇花因子：
[0054]重复步骤（1)~（15)，求出所有的样本花卉的光线强度值、空气相对湿度值和土壤 湿度值，通过公式
汁算得到样本花卉的理想浇花因子。
[0055] 具体的，所述Qmax、Qmin、tmax、tmin、Smax和Smin均为与实际选定的传感器型号有关的常 数。
[0056] 步骤104,当所述实际浇花因子大于等于所述理想浇花因子时所述可编程逻辑器 发出启动浇水信号；
[0057] 步骤105,所述可编程逻辑器按设定值自动更新光传感器、空气干湿度传感器和土 壤湿度传感器的采样周期；
[0058] 具体的，启动浇水前，处于探测阶段，光传感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传 感器的采样周期可以设置得长些，如1小时一次;启动浇水后，由于土壤湿度变化很快，光传 感器、空气干湿度传感器和土壤湿度传感器的采样周期需做适当调整，如可修改为5s采样 一次。
[0059] 步骤106,所述可编程逻辑器响应所述外部光线强度、空气相对湿度和土壤湿度动 态更新实际浇花因子；
[0060] 步骤107,当所述实际浇花因子小于所述理想浇花因子时所述可编程逻辑器发出 停止浇水信号。
[0061] 本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是:通过光传感器、空气干湿度传感 器和土壤湿度传感器实时获取花卉的光照、空气干湿度和土壤湿度，结合花卉种类，可编程 逻辑器实时计算花卉是否需要浇水，并驱动水栗对花卉进行浇水或停止浇水，同时可实现 对多种花卉进行联合控制浇水。
[0062] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于，包括:可编程逻辑器、用于感 知花卉外部自然光线强度的光传感器、用于探测空气相对湿度的空气干湿度传感器、用于 探测土壤湿度的土壤湿度传感器、驱动电路、微型马达水栗、IXD显示器、直流电源和外部存 储器;所述可编程逻辑器分别与所述光传感器、空气干湿度传感器、土壤湿度传感器、驱动 电路、微型马达水栗、IXD显示器、直流电源和外部存储器连接;所述驱动电路连接于所述可 编程逻辑器和所述微型马达水栗之间，所述微型马达水栗输出端连接有水管。2. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述光传感器固定在花卉枝干上并通过第一电阻与所述可编程逻辑器连接。3. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述空气干湿度传感器固定在花卉枝干上并通过第二电阻与所述可编程逻辑器连接。4. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述土壤湿度传感器放置在花卉土壤中并通过第三电阻与所述可编程逻辑器连接。5. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述驱动电路由输入电源、基准电源、马达、二极管、三极管、分压电阻、第一电容和第 二电容组成，所述分压电阻连接于所述输入电源和所述三极管基极之间，所述马达、二极管 和第二电容并联后连接于所述基准电源和所述三极管集电极之间，所述第一电容连接于所 述三极管集电极和发射极之间，所述三极管发射极接地。6. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述直流电源与所述可编程逻辑器之间连接有用于将12V直流电源转换成所述可编程 逻辑器所需电源的DC-DC转换器。7. 根据权利要求1所述的基于可编程逻辑器的智能浇花系统，其特征在于： 所述外部存储器包括Flash存储器和DDR SDRAM。
【文档编号】A01G27/00GK205455090SQ201620239198
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】傅文渊, 凌朝东
【申请人】华侨大学