基于信息技术的智能水培箱及其设计方法

1.本发明属于信息技术领域，具体是基于信息技术的智能水培箱及其设计方法。


背景技术：

2.心血管疾病,高血脂、高血压、高血糖及几乎所有中老年心脑血管疾病有预防和治疗功能，特别是苦荞苗菜中的芦丁和黄酮素。
3.现代信息技术中，农作物能否正常生长和实现高产取决于温度、湿度、光照、二氧化碳浓度。市面上有智能信息技术机，能监测作物生长的湿度、温度和光照等；但系统部分为闭环系统，不能完全对环境的变化作出相应的动作，难以维持作物的适宜的生长环境。因此亟待针对该问题设计一种智能荞麦水培箱。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于信息技术的智能水培箱，以解决闭环系统中不能适应环境变化的缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：基于信息技术的智能水培箱的设计方法包括利用阈值设置将闭环系统转化为根据环境参数执行不同指令的人机交互系统，其中人机交互系统将若干采集的数值转化为电信号，当电信号大于对应的阈值时控制系统对执行件发出指令，对培养环境进行植物生长要素的补足。
6.进一步，还包括以下步骤：
7.s1,核心处理系统的构建，在水培箱中搭载单片机，单片机用于对环境参数进行实时循环监测，且单片机对反馈回的数据进行数据处理；
8.s2，阈值系统的构建，利用传感器对水培箱中的环境参数进行收集，并且在每个传感器与单片机信号连接处设置阈值阀；
9.s3,执行件的构建，围绕植物生长的五大要素对执行件进行构建，其中执行件与阈值阀一一对应；
10.s4，输入系统的构建，配置输入设备对阈值参数进行输入；
11.s5，报警系统的构建，对阈值进行监测，当实际测得的参数值大于设定阈值时报警系统产生警报；
12.s6,电源电路的构建，设置变压电路、全桥整流电路、滤波电路、输出回路和不同传感器的独立电路；
13.s7输出系统的构建，设有对单片机接收的环境参数进行显示的显示屏。
14.进一步，传感器包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器和土壤ec值传感器。
15.进一步，执行件包括对应空气温湿度阈值阀的轴流风扇、对应土壤湿度传感器的卷帘、对应光照传感器的补光灯、对于土壤ec值传感器的水泵。
16.进一步，全桥整流电路包括若干相互电连接的整流二极管，滤波电路包括电解电
容和电容。
17.采用上述方案后实现了以下有益效果：
18.(1)系统搭载的传感器有空气温湿度传感器、光照强度传感器、ec值传感器、雨滴传感器，对系统环境参数进行实时采集，并于设定值进行比较，调整环境参数。为了方便用户查看水培箱内部的环境，通过oled显示屏幕对各种数据显示。其中雨滴传感器搭配卷帘系统，雨滴传感器监测降雨量，控制卷帘的收回和展开。
19.(2)系统设有卷帘系统、通风降温系统、补光系统等自动控制系统，完成对水培箱内部环境的控制，使系统运行在设定范围内，为荞麦的生长提供适宜的环境。
20.(3)系统配备了独立键盘，可设置荞麦的生长环境阈值，当环境参数高于或低于设定的阈值时，系统发出报警，并作出相应的动作维持荞麦生长环境的稳定。
21.进一步，包括矩形的集水槽，集水槽的四个定点处设有竖向的支撑柱，支撑柱搭载有若干层水培槽，每层水培槽的表面设有独立的信息技术槽，信息技术槽的内部带有逐渐隆起的放置台，放置台沿顶部至底部逐渐扩张，且放置台的顶部带有圆形的凹槽，凹槽内装有圆球状的吸水性树脂。
22.进一步，所述支撑柱的顶部设置卷帘，卷帘连接有步进电机。
23.进一步，支撑柱的径向一侧设有操作台，操作台的上方放置单片机，且操作台表面放置键盘，键盘位于单片机的前方，单片机的上方装载显示屏。
24.进一步，凹槽的直径大于干瘪状态的吸水性树脂，凹槽的直径小于膨胀后的吸水性树脂。
25.有益效果：本技术方案使用时，鉴于土壤ec值传感器只能测量土壤的营养程度，因此对于植株的吸收功能无法测量，当植株的根系吸收能力弱时，土壤ec值传感器反而会误判土壤为肥沃土壤，对植株的成长不利，因此本技术方案中引入吸水性树脂测量荞麦根系的吸收状况，此时当荞麦根系吸收量不足时，大量水份埋藏土壤中，从而使吸水性树脂膨胀，由于凹槽的直径小于膨胀后的吸水性树脂，所以吸水性树脂膨胀后会先将植株顶起，随后吸水性树脂逐渐膨胀过程中，在培养土和植株的压迫下，圆球状的吸水性树脂产生不均匀受力，因此吸水性树脂产生滚动现象。
26.由于放置台沿顶部至底部逐渐扩张，当吸水性树脂超过凹槽直径后，吸水性树脂根据受力沿放置台滚落，滚落过程的吸水性树脂根据最小能耗原理，会滚动至放置台的最低处，在滚动过程中吸水性树脂将土壤松动，降低土壤过于紧密后影响根系的呼吸和吸收作用，改善植物根系的生长环境。
27.当吸水树脂滚落后，植株的水平高度会变矮，而信息技术人员可以根据信息技术槽表面植株的高矮程度肉眼判断植株根系的吸收情况，进行补救措施。
附图说明
28.图1为实施例一中的系统结构图；
29.图2为220v-12v电路图；
30.图3为12v-5v电路图；
31.图4为12v-3.3v电路图；
32.图5为rs485转ttl电路图；
33.图6为bh1750fvi原理图；
34.图7为l298n驱动电路图；
35.图8为温湿度采集系统流程图；
36.图9为光照强度采集流程图；
37.图10为ec值采集流程图；
38.图11为湿度信号的仿真模拟图；
39.图12为光照信号的仿真模拟图；
40.图13为水培箱的结构图；
41.图14为图13中信息技术槽的内部结构图。
具体实施方式
42.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
43.说明书附图中的附图标记包括：集水槽1、支撑柱2、信息技术槽3、放置台4、凹槽5、吸水性树脂6、卷帘7、操作台8、单片机9、键盘10、补光灯11、显示屏12。
44.实施例一
45.实施例基本如附图1所示：基于单片机9的智能水培箱的设计方法包括利用阈值设置将闭环系统转化为根据环境参数执行不同指令的人机交互系统，其中人机交互系统将若干采集的数值转化为电信号，当电信号大于对应的阈值时控制系统对执行件发出指令，对培养环境进行植物生长要素的补足。
46.还包括以下步骤：
47.s1,核心处理系统的构建，在水培箱中搭载单片机9，单片机9为stm32f103zet6f103zet6 作为核心处理器，对环境参数进行实时循环监测，对反馈回的数据进行数据处理，单片机9 用于对环境参数进行实时循环监测，且单片机9对反馈回的数据进行数据处理；
48.s2，阈值系统的构建，利用传感器对水培箱中的环境参数进行收集，并且在每个传感器与单片机9信号连接处设置阈值阀，传感器包括空气温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照传感器和土壤ec值传感器。
49.s3,执行件的构建，围绕植物生长的五大要素对执行件进行构建，其中执行件与阈值阀一一对应，执行件包括对应空气温湿度阈值阀的轴流风扇、对应土壤湿度传感器的卷帘7、对应光照传感器的补光灯11、对于土壤ec值传感器的水泵。
50.s4，输入系统的构建，配置输入设备对阈值参数进行输入；
51.s5，报警系统的构建，对阈值进行监测，当实际测得的参数值大于设定阈值时报警系统产生警报；
52.s6,电源电路的构建，设置变压电路、全桥整流电路、滤波电路、输出回路和不同传感器的独立电路，全桥整流电路包括若干相互电连接的整流二极管，滤波电路包括电解电容和电容。
53.s7输出系统的构建，设有对单片机9接收的环境参数进行显示的显示屏12。
54.具体实施过程如下：在电源设计中本系统需满足的电源电压有5v、12v、220v，根据电源供电要求需单独做一套电源。选用小功率变压器(ac220v交流变压器转12v)。利用4只
1n4007/50v规格的整流二极管构成全桥整流电路，结合两只4700uf/35v的电解电容和两只 0.1uf电容构成滤波电路，两条输出12v回路，满足基本的供电需求。如图2所示。
55.由于单片机9和传感器有特殊的供电需求，需对已有电源进行dc-dc转化，另外设计了一个12v转5v的lm7805电路和12v转3.3v的pw2162电路。如图3、图4所示。补光灯11 采用220v供电。
56.2.2传感器电路设计
57.分析目前温湿度传感器的参数，从传感器精度、检测范围、温湿、分辨率和温湿度刷新时间等方面考虑，选择rs485型温湿度传感器。产品配有灵活的双接口形式，可以从网口出 485走线，也可以通过对插线走485走线。图5为rs485转ttl电路。如图5所示。
58.光照传感器选择的是bh1750fvi数字型光强度传感器。bh1750的内部由光敏二极管、运算放大器、adc采集、晶振等构成。pd二极管通过光伏特效应将输入光信号转换成电信号，经运算放大电路放大后，由adc采集电压，转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中。原理图如图6所示。
59.ec值传感器选择土壤综合传感器，是一款土壤多合一传感器，可同时检测土壤温度、水分、酸碱度(ph)、电导率(ec)、氮磷钾等多项参数。通讯方式为485，可转232、iic和usb，同时也可搭配联网模块使用。
60.2.3卷帘7电路设计
61.水培箱卷帘7系统的设计采用直流电机驱动，进行遮光布的收回和展开。模块使用st 公司的l298n作为主驱动芯片，具有驱动能力强，发热量低的特点。驱动电压范围广，最高可达46v；驱动部分峰值瞬间电流3a，持续工作电流为2a，额定功率为24w。内含有两个高电压全桥式驱动器，可以驱动直流电机和步进电机。驱动电路如图7所示。
62.温湿度数据采集电路
63.rs485型温湿度传感器读取环境参数，主机接受反馈数据，与设定的阈值作比较。高于阈值时，单片机9控制继电器开断电机和水泵，产生动作电位；低于阈值，开断喷淋和加热系统，进而维持荞麦生长环境的稳定。流程图如图8所示。
64.光照强度电路设计
65.光照强度传感器采集流程如图9所示。stm32f103zet6实时接受光照强度传感器反馈的数据，与存储器中设定的阈值比较，完成对光照强度的调控，满足荞麦生长需求。
66.ec值采集电路设计
67.通过检测水培箱中营养液的ec值和ph值，不满足阈值条件时，stm32f103zet6发出指令，做出相应的处理，保证荞麦生长的ec值和ph值的正常范围。采集流程图如图10所示。
68.系统仿真
69.为满足系统要求，对系统性能做测试。温湿度系统和通风系统如图11所示，光照强度如图12所示。
70.本技术方案中对智能荞麦水培箱的环境数据的采集和与阈值做对比分析，并由oled显示屏12显示。进而对卷帘7系统、通风降温系统、补光系统、补水系统等控制，满足荞麦的生长条件。用户通过显示屏12实时了解培养箱内部环境参数。该系统能够实现荞麦生长环境的自我调节，符合室内智能蔬菜信息技术机的理念。
71.实施例二
72.请参考图13和图14，本实施例与上述实施例的区别在于，本实施例公开了一种基于信息技术9的智能水培箱包括矩形的集水槽1，集水槽1的四个定点处设有竖向的支撑柱2，支撑柱2搭载有若干层水培槽，每层水培槽的表面设有独立的信息技术槽3，信息技术槽3 的内部带有逐渐隆起的放置台4，放置台4沿顶部至底部逐渐扩张，且放置台4的顶部带有圆形的凹槽5，凹槽5内装有圆球状的吸水性树脂6。
73.支撑柱2的顶部设置卷帘7，卷帘7连接有步进电机。支撑柱2的径向一侧设有操作台 8，操作台8的上方放置单片机9，且操作台8表面放置键盘10，键盘10位于单片机9的前方，单片机9的上方装载显示屏12。凹槽5的直径大于干瘪状态的吸水性树脂6，凹槽5的直径小于膨胀后的吸水性树脂6。
74.具体实施过程如下：本技术方案使用时，鉴于土壤ec值传感器只能测量土壤的营养程度，因此对于植株的吸收功能无法测量，当植株的根系吸收能力弱时，土壤ec值传感器反而会误判土壤为肥沃土壤，对植株的成长不利，因此本技术方案中引入吸水性树脂6测量荞麦根系的吸收状况，此时当荞麦根系吸收量不足时，大量水份埋藏土壤中，从而使吸水性树脂6膨胀，由于凹槽5的直径小于膨胀后的吸水性树脂6，所以吸水性树脂6膨胀后会先将植株顶起，随后吸水性树脂6逐渐膨胀过程中，在培养土和植株的压迫下，圆球状的吸水性树脂6产生不均匀受力，因此吸水性树脂6产生滚动现象。
75.由于放置台4沿顶部至底部逐渐扩张，当吸水性树脂6超过凹槽5直径后，吸水性树脂 6根据受力沿放置台4滚落，滚落过程的吸水性树脂6根据最小能耗原理，会滚动至放置台 4的最低处，在滚动过程中吸水性树脂6将土壤松动，降低土壤过于紧密后影响根系的呼吸和吸收作用，改善植物根系的生长环境。
76.当吸水树脂滚落后，植株的水平高度会变矮，而信息技术人员可以根据信息技术槽3表面植株的高矮程度肉眼判断植株根系的吸收情况，进行补救措施。
77.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
78.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。