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目录
1引言 4
1.1植物培育装置的现状 4
1.2现代家庭对自养植物的需求 5
1.3本项目研究目的 6
2研究内容 6
2.1以黄豆芽、拟南芥为例的植物生长条件研究 6
2.2运用运行方案设计 7
图1
3总结与讨论 10
3.1难点分析 10
3.2先进性及独特之处 10
3.3与同类项目比较 11
4成品总结 13
5展望 14
6致谢 15
7参考文献 15
8附录 25
“家庭农场”系统的研究与开发
我们在日常的生活中,许多人都喜爱种植花卉，家中养上几株开花植物，盛放时节，就可欣赏美景。然而，现代快节奏的生活，人们可能无暇照看花卉，尤其在工作出差或家庭旅行时，无人看养家中花卉的问题就变得更为突出，往往几天，花草就因为气温过高、缺水等问题死亡。于是，我们就有了这样一个想法：做一个能自动培植花卉的系统。基于这一想法的基础上，我们又给这一装置赋予了更多的意义：我们还可以通过这样一个自动培植植物的系统来种蔬菜，在天气状况不佳不便出门或家中老人独自不方便远距离出行时，这样一个系统可以应变不时之需，为我们提供新鲜的蔬菜食用；这一系统同样富有教育意义，在花费时间精力较少的情况下，我们可以看到植物的生长过程，在城市林立广厦之中的人们也可以与自然亲密接触，获得一份目睹生命成长的欣喜。
所以，根据以上对于系统功能的需求，我们采用单片机控制、DS18B20温度传感、土壤湿度传感、电机控制遮光板制作了一个自动植物培植系统，我们将其命名为“家庭农场”系统。系统能时刻检测外界气温，在温度高于设定值时启动电机翻下遮光板；能检测土壤湿度，根据土壤湿度情况与设定值比对，及时用水泵抽水浇灌；同时也能按照设定施肥。
关键词：单片机控制、温度传感分析、土壤湿度传感分析、自动遮光翻板
1 引言
1.1植物培育装置的现状
经过查阅，市面上所卖的自动浇水工具一般有两种，一种是依靠物理原理进行浇水（图-01来源：阿里巴巴），使土壤长期维持在同一湿度下，缺点在于，它无法对于不同植物所需土壤湿度进行变化；另一种（图-02 来源：淘宝）具有调整功能，但是价格昂贵，只能为一个盆栽浇水。
而市面上所卖的自动施肥工具，一般都是大型的利于农业的设备，在普通的办公室、学校教室、家中显然是不能实现的。如今很多名贵植物和小型蔬菜瓜果的培养是需要充足的养分的，家庭办公用的花草施肥工具显然应该完善。
于是，我们计划根据市场上已出现产品的不足之处，对我们自制的系统进行完善：增加土壤湿度传感，是数据更加准确，利用水泵实现浇水；增加温度传感，并在对数据分析后，翻下遮光板；定期施肥。
1.2现代家庭对自养植物的需求
在我国，有70%左右的家庭会养花草，其中不少家庭也会选择种一些蔬菜，例如有观赏性的小辣椒；而目前在国外一些城市居民吃的蔬菜，有5成左右靠“私家菜园”自吃自种，家庭阳台菜园在台湾、香港、新加波、日本等地区及国家已经非常普遍，除适合家庭外，还适合于酒店、休闲会所、写字楼、办公室等一些高档场所的装饰和环境的美化。长期生活在城市中的人们没有种植的经验，就算依靠教程的帮助也很可能在忙碌时出现遗忘未及时浇水等情况；此外，食品安全问题受到人们进一步的关注，现在人们更加重视食物的新鲜营养以及最为重要的安全。为了确保植物正常生长，按时收获，自动化培植成为了新的需求，
1.3 本项目研究目的
在如今的植物花卉等种植培育中，传统的人工浇灌耗费大量人力财力，且浇灌的水量也不够精准精细。科学技术还未完全渗透到最基本的种植业中。在家庭花卉果蔬培养中，同样，科学技术应用也未广泛普及，当人们旅行或出差时很难顾及家中的植物，经常遇到回家后发现所养植物都已枯萎死亡。面临这一问题，我想到了这一课题，希望通过自动培养的方式实现更加科学的精确养殖。
利用湿度传感器、温度传感器对植物土壤的湿度以及室温进行测定，及时浇水；对于温度传感数据进行分析处理，对设定的高温和低温值警报，使植物培养“个性化”，系统能时刻检测外界气温，在温度高于设定值时启动电机翻下遮光板；增加施肥装置，可以通过提前设置实现定期施肥。
2 研究内容
2.1以黄豆芽、拟南芥为例的植物生长条件研究
（1）黄豆芽
黄豆芽健脾养肝，其中维生素B2含量较高，春季适当吃黄豆芽有助于预防口角发炎。
水分：一千克黄豆芽培育出成熟的豆芽菜要吸水5-7升，作为水菜，对水需求量比较大。
温度：在15-32℃左右，当气温超过30℃，生长最快。
湿度：当气温超过30℃生长最快，水分需求大，每天喷两次或两次以上水；20-30℃气温时，早晨和傍晚各喷水一次。苗高10厘米左右时，要保持沙壤湿润，空气的湿度适中，做到合理喷水(后期喷水水雾状可稍大)，使豆芽健康快速生长并让未净壳的豆瓣基本上都脱壳，如果湿度不够，空气干燥，豆瓣一整天未沾水汽，豆壳豆瓣就会干缩粘连。
（2）拟南芥
由于黄豆芽研究中数据不够充分，基于拟南芥数据完备，我们又研究了拟南芥的生长条件。
光：主要在于光强和光周期两方面。在光强度上，一般最适光的光强度为120～150μmol/（㎡ · s）。在夏天的温室中，60%阴影有助于光强控制和温度调节。较老植株可忍受高光强或太阳光直接照射，而年幼植株应避免强光。一般以16h光照为宜。
温度：最适生长温度在25℃ 左右。当水分充足时，拟南芥能在高达34℃ 时生长，但会减少受精。较老的植物能忍受高温，但保持25℃是较为有利的；当种子形成时，温度宜设定在24℃，夜温可比日温低2～4℃为宜。
水分：在种子发芽后的头几周里，理想的供水是只有当土壤呈现干旱时适时灌溉；在拟南芥头两片真叶开始伸展之前必须避免干旱；当真叶长出后，灌水频率为每周一或两次。土壤湿度的增加会减少土表干旱的影响以及发芽着的幼苗脱水危害。
营养：配置合适的土壤混合物，贫瘠的营养状况会降低植株高度，使它提早开花，并使种子着生减少。在生长后期补充营养物质将会增加种子着生，产生较健壮的植株。当植株呈现出轻微淡绿色时，表明营养不足，应立即施以营养物质，正常健壮的拟南芥植株是亮暗绿色的。
2.2运用运行方案设计
单片机控制：连接DS18B20温度传感器、土壤湿度传感器，数据分析（具体控制见如下传感器板块）。
DS18B20温度传感器：DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>TH或T 土壤湿度传感器：将其的硬件控制电路埋在作物根部，监测根部土壤的水分。“湿度过高”则停止灌溉;“湿度过低”则控制接在水源的水泵浇灌。主控制器通过通讯接口与上位机通讯，可以实时监测系统运行状况或对历史数据进行分析。 2.3装置的结构及逻辑图 结构图 结构图（如图-03所示）： 遮光翻板（木板) 铰链 培养花盆 渗水隔板 定滑轮 棉线 以下为结构图中没有以简笔形式呈现的材料： （图-04：水泵） （图-05：电机） （图-06：DS18B20温度传感器） （图-07：土壤湿度传感器） 土壤湿度控制：将其的硬件控制电路埋在作物根部，监测根部土壤的水分。将“湿度过高”和“湿度过低”信号经编码器传至主控制器，由主控制器决定控制状态。“湿度过高”则停止灌溉;“湿度过低”则控制接在水源的水泵浇灌。主控制器通过通讯接口与上位机通讯，可以实时监测系统运行状况或对历史数据进行分析。 附加施肥：根据设定值，控制电机定期自动施肥。 渗水隔板：防止水分在盆底无法排出，形成滞留，增加土壤透气性，防止植物出现烂根的情况。 结构实物图 （图-08：结构实物图（左为正面，右为背面）） 温度传感器逻辑图 （图-09：温度传感器逻辑图） 温度控制：通过温度传感器DS18B20将温度信号转化，把测得的温度值与设定值作比较，若大于设定值，则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应，即温度高时，控制电机启动，放下棉线，棉线通过定滑轮连接遮光翻板，从而翻下遮光板（在遮光翻板两侧接有孔遮光布，遮挡侧面过强光照）；在温度降低至设定值后，控制电机卷起棉线，遮光翻板翻起，植物重新受到来自两侧及顶部的光照。 3 总结与讨论 3.1难点分析 比较了多种控制方式，最终依据现有条件我们选择了单片机来作为整个系统的处理核心。通过电路的搭建与传感器连接，将数据采集入单片机。在DS18B20传感器的应用上，我们将采集反馈的数值与可改变的植物所需温度设定值比对，满足条件语句，温度高时，控制电机松开棉线，放下遮光翻板；温度高时，控制电机反向卷起棉线，遮光翻板翻开。同样，我们对土壤湿度传感器的应用与连接采用同种方式，将设定植物可接受的湿度范围与实际所测得的土壤湿度进行比较。 我们的“家庭农场”系统由于需要结合光照、浇水、施肥，我们用了3天的时间去构思和完善装置，在绘出如图-03所示的结构图后，我们着手搭建。为确保装置搭建牢固和新颖，我们在一些连接处没有采用钉子，而是采用了木栓连接，木栓长于花盆的部分用作引水斜面的固定。为了使电机与翻板良好连接，我们采用定滑轮结构，利用棉线翻开和放下遮光板，节省了成本，充分利用材料。 3.2先进性及独特之处 增设遮光翻板：用棉线、铰链、定滑轮代替了铁丝来连接电机与遮光翻板，更加牢靠。 完整性整体性：统一了温度、湿度、营养等植物生长条件的自动化，省时省力。 3.3与同类项目比较 同类项目大多都只有分开测温度和湿度的功能，都只能实现其中之一，但我们的课题不同的是，将两者结合并在此基础上又作了改善，增加了遮光翻板，采用定滑轮结构，利用棉线翻开和放下遮光板。 4 成品总结 我的项目主要的创新点是利用水泵实现浇水；增加温度传感，并在对数据分析后，翻下遮光板；定期施肥；整体装置自主设计，增加遮光板结构，代替了传统的铁丝控制翻板的方式。 这个项目以家庭自动化培植为主题。在一个对生活品质要求越来越高的时代，家中养着花草或是种着几棵蔬菜已并不少见。家中培养植物的好处有很多，而我们的自动化培植能帮助人们实现。植物的光合作用净化了室内空气，对环境起到美化作用，令人赏心悦目，种植蔬菜还可以为家庭提供新鲜食物来源；同时观察植物生长的过程富有教育意义，在花费时间精力较少的情况下，我们可以看到植物的生长过程，与自然亲密接触。 项目的创新点： 单片机控制 温度传感分析 土壤湿度传感分析 自动遮光翻板 5 展望 我们的这个项目如果真正运用到家庭植物培养中的话，那么将会有效地提高家庭植物的存活率。但我们的项目仍有缺点：我们的系统还没有完成单系统控制同时多植物的功能，现在只实现了单一植物的培植；同时，对于低温情况，我们也没有在系统中给出好的解决方案，目前只能以警报的形式提醒。 在现有的项目之上，我们还有一个想法： 希望这一“家庭农场”系统能够开发出手机端，更加方便地通过手机app形式修改设定温度值以及土壤湿度，并增加监控系统，定期拍摄，形成清晰的植物生长各个阶段的照片，在增加学习性的同时感受到自然生命的美好。 7 参考文献 Arduino官方视频教程 https://www.arduino.cn/thread-2155-1-1.html Arduino教程——DS18B20温度传感器 https://www.arduino.cn/thread-1345-1-1.html 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 图9 图10 图11 图12
