一种节水型家用有机盆栽系统设计文可馨 指导老师:武妍简介：本研究主要通过对家庭盆栽植物的在日常管理中常见旱、涝、光照和营养问题进行调查，针对以上问题设计了适合家庭阳台或庭院盆栽植物需求的自动系统，主要分为四个部分：1. 支持模块，包括钢架结构，花盆和储水桶；2. 长效无污染的营养土；3.自动滴灌模块；4. 光伏充电的可移动电源和光照模块；该系统既能长期为植物生长提供绿色无污染的营养，又节约灌溉用水，更符合植物生长需要，防止植物干死或受涝而影响生长，采用低压可光伏充电的移动电源为水泵和 LED 灯照明，安全环保，移动方便本发明解决了家庭盆栽植物的生长管理问题，安全，无污染，使用方便，符合大多数家庭的需要关键词：盆栽；节水；光伏充电；低压电源；无污染；1、课题背景随着我们国家现代化的发展，国家越来越繁荣富强，但是我们国家的发展也带来了许多环境问题，如水资源的浪费，空气污染，水体和土壤的污染，这些污染给我们身体健康带来很大危害，尤其是室内装修和家具散发出的甲醛等有毒气体，果蔬的化肥和农药残留都直接危害人们的健康随着人民的生活水平逐步提高，对生活环境和生活品质的要求也越来越高，城市居民生活空间有限，人均绿地面积偏小，因此室内盆栽植物、阳台或庭院的盆栽果蔬不但能够很好解决室内空气污染问题，而且还能够解决部分果蔬类食品需求，同时还能够美化家庭环境，陶冶情操，提高人们的生活质量。
众所周知，绿色植物生长需要阳光，空气，水和矿物质，盆栽植物的种植似乎是一件很简单的事情，但是我们自己在家庭盆栽的种植的实践过程中，发现家庭盆栽植物的培养并不是一件容易的事情，经常出现植物生长缓慢逐渐死亡，通过对本班同学、亲属和附近小区部分居民共 120 份调查，发现许多盆栽植物栽培常见问题主要有以下几个：（1） 、每个家庭成员都喜欢给植物浇水，植物过涝停止生长，生病甚至死亡（68 份） ；（2） 、经常忘记浇水，旅游或出差在外，长期不浇水，造成植物干旱死亡（53 份） ；（3） 、不愿意施化肥，施农家肥臭味大，土壤营养成分不够或不适宜，植物生长缓慢，易生病死亡（49份） ；（4） 、一些盆栽植物放置位会造成光照不充足，生长不好（32 份） ；（5） 、盆栽蔬菜容易生虫（27 份） 针对以上问题，我们查阅了相关资料，设计了一套节水型家用有机盆栽系统，基本解决以上问题2、材料与方法2.1、材料5V 移动电源，FC-28 土壤湿度传感器， LM393 比较器， 12V 直流继电器，5V 移动电源+ 光伏充电，12V 直流水泵，可调电位器，电阻、电容、LED 灯，水管，钢架，陶瓷花盆，营养土材料等。
2.2、方法采用可拆卸式小型货架和市售环保花盆作为家庭盆栽系统的支持结构；使用泥炭，蛭石，松树皮等配制长效疏松的营养土，利用可光伏充电的移动电源，作为水泵和 LED 灯的电源；通过设定 FC-28 土壤湿度传感器的阈值，实现自动浇灌；对光照不好的盆栽植物或部分区域进行补充光照3、结果与分析3.1 支持结构搭建采用市售小型货架，搭建单层或多层栽培支架，一般在室内或阳台层高可搭建 2~3 层，在庭院可搭建多层，从而实现立体种植，增加单位面积的产出；层高可根据所培养植物的株高进行调整，也可在植物生长的过程中任意调节高度，增减层数，方便灵活每层货架上摆放环陶瓷花盆，陶盆或瓷盆由泥土烧制而成，环保安全，花盆的形状不限，摆满为止，最大限度利用空间3.2 长效营养土配制目前许多家庭盆栽直接从小区空地取土，有许多土壤曾经被工厂污染，而我们对这些土壤是否被污染并不知情，另外，空地取土也容易带来植物的病虫害泥炭土，是古代低温、湿地的植物遗体，被埋在地下，经数千万年的堆积，在气温较低、雨水较少或缺少空气的条件下，植物残体缓慢分解而形成的特殊有机物，多呈棕黄色或浅褐色它的有机质高达 70%以上，腐殖酸 30-48%，PH值 4.5-6.5，氮、磷、钾总量在 2%左右。
不含病虫害，而且质轻，保水、透气，符合大多数植物生长需求蛭石是一种天然、无毒的矿物质富含钙，镁，铝，铁等植物生长需要的矿物质成分，具有疏松土壤，透气性好，吸水力强，保温等特点，不含对植物有害的细菌，真菌和害虫虫卵，矿物质缓慢释放，有利于作物的吸收和生长，是长效的营养土成分之一松树皮，也是一种天然物质，富含有机质，在加热消毒后，可杀灭病虫害物质，可疏松土壤，抗板结，缓慢分解后也可提供植物生长所需的有机质和矿物质，是长效营养土配方之一草木灰和豆渣发酵物，天然物质，不含病虫害，富含氮，磷，钾等植物生长必须成分，可调节营养土粘性，是植物生长营养土成分之一草木灰偏碱性，在配制营养土时，根据需培养植物对酸碱性偏好不同，调节到所栽培植物的最适酸碱度根据我们在家庭常见盆栽植物西红柿，黄瓜，萝卜，葱，蒜等果蔬的实验，泥炭，蛭石，松树皮和草木灰土豆渣发酵物四种营养物的配比在 10:2:3:1 时，营养土呈弱酸性，能满足实验植物的生长，成熟和结果3.3 电源模块组建家庭盆栽系统有的放在室内，有的放在阳台或庭院，电源如果采用 220V 家用电源，要拉很多线，占用很多插座，破坏家庭美观，使用起来不但不方便，而且还带来许多安全隐患。
采用 5V 的移动电源供电，可安装在支架上，不但占用空间小，使用方便，而且因其电压低，对成人、儿童和宠物都不产生伤害市售集成光伏发电板的移动电源，可利用太阳能发电，将电能储存在移动电源中，充满既停，在储存的电能用完时，如遇长期阴雨天气，还可以使用家用交流电进行充电，保证了电源的长期稳定工作直流水泵工作需要 12V 电压，采用 LM2596S 电源模块将 5V 增压到 12V，提供 12V，0.5A 的电压和电流，保证了水泵的正常工作3.4LED 补光控制模块部分盆栽植物因为美观或室内空气净化的需要，不能得到充足的光照，影响了植物的生长和对室内甲醛等有害气体的吸收，采用 LED 灯补光，采用程序控制光照时间，避免开家庭室内大功率照明灯，节省了电能；每天定点定时补光，不会干扰家人生活对立体栽培植物也可对光照偏少的植株进行补充光照该光照模块既可以和立体种植的盆栽系统整合，也可分拆安装到独立盆栽植物附近模块组成及原理图如下：51 单片机：是 Atmel 公司生产的 8 位 8031 指令系统微控制器，IO 口无需寄存器设置即可双向通信，芯片内部外设较少，程序简单易懂，外围电路简单，成本低，程序运行稳定抗干扰。
1602 液晶显示屏：液晶显示屏的拥有强大的显示功能,里面置有 192 种字符，可以显示很多符号、数字，并且清晰，功率消耗低，寿命长，抗干扰能力强所以在此设计中采用 1602 液晶显示屏采用 DS1302 时钟芯片：只需要写出驱动程序，调用程序读出寄存器内数据，经过简单的变换就可以输出万年历的数据5V 直流继电器：广泛应用在小型电动机、白炽灯、指示灯、小功率电源、智能仪器仪表和各种电磁阀等，也可作为大功率电磁接触器的推动级特别适用于腐蚀、潮湿、防尘、要求防爆等恶劣环境，及频繁开关的场合设计电路的仿真模拟如下：实物效果图操作流程：系统源程序见附件3.5 土壤湿度反馈控制模块建立自动浇水模块可以根据土壤湿度的变化，自动启动补水，当湿度达到上限时，停止补水解决了人不在家，或者手动补水不能达到植物所需的最佳湿度的问题土壤湿度传感器：又名土壤水分传感器，土壤含水量传感器土壤水分传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝内使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和测量驱动电路：宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO 输出高电平，高于设定值时，DO 输出低电平；比较器采用LM393 芯片，工作稳定。
工作原理：根据湿度传感器采集到的信息和比较器 LM393 进行比较湿度低于设定值时，输出高电平，启动继电器驱动水泵工作；高于设定值时，输出低电平，继电器断开，水泵停止工作并且通过电位器调节控制相应阈值，调整湿度的范围基于 FC-28 土壤湿度传感器的自动浇水模块不需要人工参与，而且解决了人工浇水不足或者浇水过量的问题所有模块均采用 12V 直流供电，避免了强电存在的安全隐患采用直流水泵供水，解决了从管道引水由于电磁阀故障造成泄漏的问题和传统定时浇灌相比，真正的了解植物什么时候需要水以及需要多少水为植物生长提供最佳的水分本模块将储水更换为天然驱虫溶液，滴灌管路更换为喷头并拔出湿度传感器后，可为盆栽植物的驱虫4、讨论本研究针对家庭盆栽植物中常见问题，设计了自动浇灌模块，光伏充电的供电模块，程序控制的光照模块和营养土配制，基本解决了以上问题在长效营养土配制上，我们根据近几年盆栽植物生长出现的土壤板接，营养不良，保水性不好等问题，持续调整配方，最后确定的配方基本上能满足常见家庭果蔬植物的生长，营养土在 2 年的植物连续栽培中不需施肥，只需要浇水即可，但长效的上限还在观察中在自动滴灌模块中，管路开口在植物的根部比较有利于植物的吸收，但与湿度传感器的距离也需要调整到合适的位置，离得太近容易浇不到，离滴灌口稍远的植物，相距太远则浪费水，这项工作我们仍需要根据不同植物进行调整；移动电源整合了光伏发电，虽然环保，简便，但在晴朗天气下，一个10400m/Ah 的移动电源充满需要 12~18 个小时，而在补光过程中， 5w 的 LED 灯只能连续照明 2~3 小时，能量转换效率仍需要提高，或需要更换大面积的光伏发电板。
总之，本研究还处于初步的研究阶段，为了更好满足家庭盆栽植物的生长需求，我们需要继续进行深入研究，提高系统的稳定性，为城市有限生活空间的人们生产出安全环保的家庭果蔬产品，为能净化室内空气的花卉盆栽植物生长提供更好的系统5、参考资料[1]李莉.怎样配制适合不同种类花卉的培养土[J].花木盆景：花卉园艺，2004（11 ）：22-22.[2]李云霞.盆栽花卉培养土的制备[J].河北农业科技，2004（6 ）：22-22. [3]刘会两.花卉培养土常用消毒法[J].花卉，2005（6）： 10-1.[4]卢思聪.室内盆栽花卉（第二版）[M].北京：金盾出版社， 2001：1-1. [5]罗芒生.花卉培养土消毒法[J].花卉，2003（10）：22-23.[6]黄磊.家庭养花培养土的种类和配制[J].中国花卉盆景，2007（2 ）：23-23. [7]迟天杨.节水灌溉中土壤湿度传感器的应用[J].东北农业大学学报，2006 年 01 期. [8]王琪.基于介电特性的智能化土壤水分传感器测量系统[J]; 安徽农业科学;2011 年 27 期.[9]邹修国.传感器原理及其在农业方面的应用[J];安徽农业科学 ;2011 年 04 期.[10]田思庆.基于单片机的土壤湿度测试仪的研究[J];农机化研究 ;2008 年 09 期.6、致谢本研究在设计和调试过程中得到了很多同学老师的无私帮助，其中刘耀中同学帮助编程，张振江同学帮助完成湿度传感器的电源增压改造，在此表示诚挚的感谢！。