自动浇花系统实验装置的研制与应用

唐明祥，张鑫生，杨旭光，王楚楚，董桂军

(吉林大学植物科学学院，吉林 长春 130062)

0 引言

随着社会的不断发展，人们生活水平的日益提高，人们追求庭院、居室、办公室等的美化绿化已成为时尚，越来越多的人已经从单纯地观赏花卉转变成自己动手养护花卉。养护花卉需要具备一定的专业知识，人们受专业知识这一局限，在养护花卉的过程中经常遇到各种各样的问题，一旦操作不当或考虑不周全易引起花卉生长异常，甚至出现花卉死亡等。其中在养护花卉中浇水是一个关键环节，不仅要会浇水，更重要的是人们因遗忘、出差、探亲和旅游等因素无法及时为花卉浇水，易造成花卉缺水甚至出现干死[1-3]。基于这一现状，研制自动浇花系统实验装置，同时还能满足吉林大学植物科学学院农学、植保、园艺、资环和生技共5个专业机械课程的实验教学[4-5]。

1 实验装置的研制

1.1 基本结构

自动浇花系统实验装置主要由花盆、湿度传感器、喷头、电磁阀、电机水泵总成、水箱、进水管、出水管、触摸屏、主控板、驱动模块、通信模块和电源模块等组成，如图1～2所示[6]。

图1 自动浇花系统实验装置

图2 自动浇花系统结构

1.2 主要组成部分及功能

实验装置各组成部分都有着不同的功能，如表1所示。

表1 主要部件功能

1.3 工作原理

自动浇花系统实验装置原理如图3所示。自动浇花系统实验装置接通220 V电源，电源模块将220 V电转变为12 V低压电向微控制器供电。此时，通信模块将接收到湿度传感器感知的湿度值，并进行处理后传输至微控制器。微控制器再通过显示输出模块将湿度值传送至触摸屏显示，此值为当前湿度(或叫适时湿度)。在触摸屏上可以设置湿度上限值和下限值，如果触摸屏上显示的当前湿度值等于设定的湿度下限值时，微控制器立即发出指令通过输出控制模块同时启动电机水泵总成和电磁阀。此时，电机水泵总成将水箱中的水吸入浇花系统中，通过电磁阀向喷头供水，喷头向花盆浇水，触摸屏上的当前湿度值逐渐增大，当增大到设定的湿度上限值时，微控制器立即发出指令通过输出控制模块同时停止电机水泵总成工作和关闭电磁阀，由于水源被切断，喷头立即停止向花盆浇水[7-9]。

图3 自动浇花系统实验装置原理

1.4 创新点

(1)利用湿度值作为自动浇花系统的开关，实现电机水泵总成自动启动与停止、电磁阀自动开启与关闭。

(2)触摸屏显示3个“湿度值”，即当前湿度值、湿度上限值、湿度下限值，同时，在触摸屏上可以设定湿度上限值和湿度下限值，直观方便。

(3)利用电磁阀实现对不同花盆的浇水，互不干扰[10]。

2 实验设计

2.1 实验步骤

2.1.1 连接实验装置

将花盆和自动浇花系统实验装置放置在适当位置，水箱加入足量的水，连接好喷头、传感器和水管等，将喷头插入花盆接近中央的位置，并将喷头调节为适合对花卉喷洒的模式，3个湿度传感器暂时不插入花盆中(图1)。

2.1.2 开机

接通电源，实验装置进入启动画面(图4)，大约3 s直接进入到主画面，也可在开机画面的任意位置点击进入到主画面(图5)。此时显示3个花盆的当前湿度、湿度上限值和湿度下限值都是零，电磁阀状态和开关设定均处于关闭状态。将3个湿度传感器分别插入3个花盆中，每个湿度传感器插在距离花盆中心1/4直径(或边长)处，其深度要根据花盆的高度而定，一般插入的深度为花盆深度的2/3左右即可，此时图5所示状态变为图6所示状态，显示3个花盆的湿度分别是30%、25%和20%。

图4 实验装置开机画面

图5 实验装置主画面

图6 花盆里湿度显示界面

2.1.3 设定实验装置

为了使实验装置进入正常的工作状态，首先要对图6所示界面中参数、开关进行设置。点击图6所示界面中右下角“设定”按钮进入到图7所示界面。点击图7所示界面中的“+”号或“-”号，设定1号花盆、2号花盆、3号花盆的湿度上限值分别为55%、50%和45%，湿度下限值分别为20%、15%和10%，如图8所示。然后，点击右下角的“确定”按钮进入图9所示状态。此时，再将图9所示界面中3个花盆的自动浇水开关设为开的位置，如图10所示。至此，已完成对实验装置的设定，实验装置处于工作状态。

图7 湿度上限值、湿度下限值设定界面

图8 设定湿度上限值、湿度下限值

图9 设定好的湿度上限值、湿度下限值

图10 实验装置处于工作状态

2.1.4 自动浇花

以1号花盆为例，当前湿度值达到20%时，说明1号花盆需要浇水，此时电机水泵总成启动，同时对应1号花盆的电磁阀开启，喷头向花盆浇水，(图11)。屏幕上的阀状态(电磁阀状态)指示灯变为绿色，1号花盆的当前湿度值逐渐增大，当达到湿度上限值55%时，电机水泵总成立即停止工作，同时1号花盆的电磁阀也立即关闭，1号花盆自动浇水完毕，电磁阀指示灯由绿色变为灰色(图12)。2号花盆、3号花盆自动浇水过程与1号花盆相同。

图11 1号花盆处于浇水状态

图12 1号花盆自动浇水停止

2.2 实验内容

2.2.1 实验装置的拆装

通过对实验装置的拆装练习，达到熟悉其基本结构、工作原理和使用操作方法等[11-12]。

2.2.2 实验步骤

(1)观察。观察1号花盆、2号花盆、3号花盆的当前湿度值。

(2)调整。调节3个花盆的湿度上限值、湿度下限值。

(3)观察。观察自动浇花过程，尤其是开始浇花和停止浇花两个时刻所对应的当前湿度值是否与提前设定好的湿度下限值、湿度上限值相符合。

(4)比较。比较湿度传感器插在花盆的不同位置、不同深度，对自动浇花开始和结束两个时刻有何影响。比较喷头插在花盆的不同位置、喷洒方式，对自动浇花开始和结束两个时刻有何影响。

2.3 注意事项

(1)正式启用自动浇花时，知晓被浇花卉应该浇水时的湿度和浇足水时的湿度，必要时，利用实验装置进行测试。

(2)一定要选准喷头、传感器插入花盆的位置与深度。

(3)根据需要自动浇花的时间选择足够大的容器进行储水。

3 实验装置的应用及评价

3.1 教学应用及评价

3.1.1 在本科生实验教学中的应用

学院农学、植保、园艺、资环和生技共5个专业涉及《农业机械与应用》《植保机械与应用》和《园艺机械与应用》3门机械课程，3门课程均包含浇灌方面的实验内容。以往的教学主要是采用农业生产中常用的设备给学生进行实验教学，由于受教学时数的限制，只能采取现场讲解为主的方式进行，学生难以观察到设备的工作状态，更谈不上亲手操作。2020年秋季学期在农学、植保、园艺、资环和生技5个专业的机械课实验教学中进行自动浇花系统的应用(表2)，共5个期班286人学时，收到了良好的教学效果。

表2 在本科生实验教学中的应用

3.1.2 教学效果评价

为了更好地评价自动浇花系统实验装置在本科生实验教学中的教学效果，采取对比方式进行分析。

针对2017级植保专业采用传统的实验教学模式，受教学时数及设备陈旧等现状，教师在课堂上只能通过普通设备及图片讲解灌溉设备的基本结构、工作原理及使用与维护。

针对2018级植保采用线上线下相结合的翻转课堂教学模式，教师提前将课件、小视频等材料传至QQ群并通知学生课前做好充分预习，课堂上教师简单讲解灌溉设备的基本结构、工作原理及使用与维护，以及自动浇花系统实验装置的基本结构、工作原理与使用操作，留出一定时间给学生实际操作实验装置，提高学生的实践动手能力。教师重点讲解实验装置在研制过程中出现的问题及改进思路，在课堂上师生之间还有足够的互动时间，由此激发了学生上机械实验课的兴趣与创新思维。

设置对“教学模式的满意度”“提高学习兴趣的满意度”等4个问题，对2017级植保33名学生、2018级植保32名学生进行问卷调查(表2)，结果表明，将自行研发的教具应用到实验教学中能够大幅度提高学生对线上线下教学模式的认可度、学习兴趣、自学能力和创新思维能力[13-15]。

表3 两个年级学生的满意度分析

3.2 日常生活中的应用及评价

将实验装置放在办公室、家里对花卉进行自动浇水，通过长时间反复实验，完全能解决出差、旅游、探亲访友等情况下对办公室、庭院、家庭等地所养花卉进行自动浇水，避免花卉被干死的问题[16]。为了进行实际应用的评价，设计了“实验装置的实用性”“实验装置的可靠性”和“实验装置的可操作性”3个问题，请来不同职业、不同年龄段、不同性别共18人，首先给他们详细讲解自动浇花系统实验装置的研制背景、基本结构、工作原理和使用操作方法，然后给他们反复演示实验装置自动浇水的全过程，最后对这18人进行问卷调查(图13)，调查结果显示对实验装置的实用性、可靠性、可操作性的认可度均达到92%以上，说明大家对实验装置的高度认可。

图13 实验装置生活中应用满意度调查分析

3.3 农业生产中的应用

该实验装置的成功研制，完全可以应用到农业生产中，只需对其中零部件的型号规格、管路、喷头等进行适当调整，即可对温室大棚、果园、旱地和草坪等根据土壤的湿度精准浇灌，达到省时、省力，从而提高经济效益和社会效益。

4 结束语

通过自动浇花系统实验装置的研制与应用，解决了高校涉农非机械专业学生更好地理解掌握《农业机械与应用》《植保机械与应用》和《园艺机械与应用》3门机械课程中所包含的喷灌、滴灌、喷药机等设备的基本结构、工作原理、使用与维护，同时还能培养他们创新思维能力、分析问题解决问题的能力、实践动手能力，以及培养他们认识学科交叉在科学研究中的重要性。此外，研究的实验装置在现实生活中可以进行有效应用，解决因出差、旅游、探亲访友等情况下，办公室、庭院、家庭等地所养的花卉不被干死的问题。