水培植物自动水循环控制系统设计

常若葵（通讯作者）刘萌允,王远宏, 卫勇 ,王磊

（1 天津农学院 工程技术学院  天津 300384；2天津农学院 园林园艺学院 天津 300384；商丘学院 机械设计制造及其自动化系，河南 商丘 476000）

摘要：水培作为新型的植物无土栽培方式正被广泛应用。针对如何将植物营养液以合适的浓度快速精准的运达到植物根茎部保证植物的正常生长，设计了一套三层立体结构的水培植物自动水循环控制系统。该系统以Arduino UNO为控制核心，通过多传感器信号采集可精确的实现对花卉生长环境温度和光强、混合水箱中水位与营养液浓度的检测以及进行水位与营养液浓度的控制与显示，还可实现水流从底部到上层流经花卉再到底层，达到净化目的，同时顶部的喷泉装置起到美观的效果。

关键字:  水培植物；营养液浓度；水位控制；温度检测；光强检测

Design of automatic water circulation control system for hydroponic plants

Liu Mengrun  Chang Ruokui( Communications author) Wang Yuanhong Wei yong

¹College of Engineering and Technogy, Tianjin Agricultural University, Tianjin, 300384 , China

²College of horticulture, Tianjin Agricultural University, Jinjing Road 22, 300384, Tianjin, China

Subject：Hydroponics is widely used as a new type of soilless cultivation.In order to ensure the normal growth of plants by moving the nutrient solution to the root and stem with proper concentration quickly and accurately, a three-layer three-dimensional hydroponic automatic water circulation control system is designed.Taking Arduino UNO as the control core, the system can accurately detect the temperature, light intensity, water level and nutrient concentration in mixed water tank, and control and display the water level and nutrient concentration。The system can also achieve water flow from bottom to top, through flowers, and then to the bottom, to purify the purpose, while the top of the fountain device to play a beautiful effect.

Keywords: hydroponic plants; Water cycle; Nutrition concentration; Water level control; Temperature testing; Light intensity detection

1 引言

水培（Hydroponics）是一种新型的植物无土栽培方式，又名营养液培，其核心是将植物根茎固定于定植篮内并使根系自然垂入植物营养液中，使植物能够正常生长并完成其整个生命周期^[1]。其光照、温度、营养液浓度、营养液清洁度都是需要考虑的因素，其中营养液是最重要的一个环节，这种营养液能代替自然土壤向植物体提供水分、养分、氧气、温度等生长因子，如果浓度过高会使植物营养过剩而烧坏植物，过低则会缺乏营养而生长缓慢^[2-3]。本系统将在综合考虑这些相关因素前提下，实现对光照、温度、水位和营养液浓度^[4]等环境的检测，并实现对水位和营养液浓度的控制。

该系统为三层立体结构。最上层是一个喷泉装置，其作用是起到促进装置中混合液的流动同时达到清洁美观的作用。中层放置培养的植物花卉，每个容器之间都有管道连通，同时也和上层喷泉、下层水泵连接，形成连通结构。下层主要是放置整套检测装置和所需的清水、营养液混合液，混合液的混合由两个微型水泵工作时完成。系统实物图如图1所示。

图1  系统装置简图

2 控制系统简介

水培植物自动水循环控制系统主要检测部分、控制部分和显示报警部分构成，其中检测部分由光强传感器、温度传感器、水位传感器、浓度检测电路等组成；控制部分是以Arduino UNO为核心；显示报警装置由液晶显示模块、报警装置等部分构成。系统的结构框图如图2所示。

图2 自动水循环系统整体框图

在检测系统中，由光强传感器、温度传感器分别检测当前光照强度、温度值将测量值传回UNO板；利用水位传感器来测量水位，通过UNO板的模拟口将数据传入，与设定值进行比较判断；并将温度、光强、水位等采集数据值在12864显示屏上实时显示；由UNO板输出信号检测溶液浓度，将返回值与设定值比较来判断混合液的当前浓度；通过输出口来控制水泵通断，从而达到清水、营养液、混合液的添加等动作，进而控制系统中水位和营养液浓度。

3 硬件电路设计

3.1 主控芯片电路设计

系统考虑到浓度检测电路需要PWM波的产生、对模拟量的采集、光照传感器为IIC器件，故选择Arduino UNO为主控芯片。对本系统来说主要功能是具有14路数字输入/输出口（其中6路可作为PWM输出），6路模拟输入，一个ICSP header和一个复位按钮。可分别检测光强、温度、水位和电导率传感器数据，并在LCD12864上显示，同时控制水泵通断。

3.2 电导率电路设计

水的导电性即水的电阻的倒数，通常用它来表示水的纯净度。电导率是物体传导电流的能力^[5]。测量原理是将两块平行的极板，放到被测溶液中，在极板的两端加上一定的电势（通常为正弦波电压），然后测量极板间流过的电流。电导率值可以通过电极所测电压值反映出来。

由于Arduino UNO本身可以输出PWM方波，所以由模拟输出口6口输出0-5v的1KHz的PWM方波，通过正负5v电源供电的运算放大器构成求差电路，将0-5v方波信号V0转为-2.5-2.5v方波信号V1，将-2.5-2.5v方波信号V1通过一阶有源滤波得到-2.5-2.5v的正弦信号V2，将其加在检测电导率的电极两端所测得的信号为正弦信号V3，由于所测到的信号很微弱，故用放大电路将信号放大到可以让UNO板检测的到的信号V4。将放大之后的检测信号V4通过精密检波电路转为可以让UNO板返回的直流平波V5，仿真图如图3所示。

图3  电导率检测仿真电路

4系统软件设计

4.1检测装置的软件设计

检测装置的软件设计包括主控芯片对DS18B20、LCD12864和TSL2561两个传感器的软件设计。图4是整个检测装置的控制框图。系统检测时首先进行光强、温度和电导率检测，然后分别将所检测的值进行显示在LCD12864上，然后与水位和浓度的设定值进行比较，进行清水或者营养液的添加。

图4 检测装置的控制框图

4.2  TSL2561的程序设计

通过I2C总线协议对TSL2561进行读写。写数据时，先发送器件地址，然后发送要写的数据。TSL2561的写操作过程如下：先发送一组器件地址；然后写命令码，命令码是指定接下来写寄存器的地址00h～0fh和写寄存器的方式，是以字节、字或块（几个字）为单位进行写操作的；最后发送要写的数据，根据前面命令码规定写寄存器的方式，能够连续发送要写的数据，内部写寄存器会自动加1。

4.3  DS18B20软件设计

本系统采用的是温度传感器DS18B20。在此传感器的软件设计中使用读取温度信号时，需要执行两个工作周期，在第一个周期里，首先需要发送复位指令以及跳过ROM的指令，而后执行温度转换存储器操作指令，在等待了500us的温度转换时间之后进入第二个周期。对于温度来说采用的是秒中断，即每隔1s采集一次数据。

4.4水位传感器软件设计

水位传感器共引出三个引脚，分别是信号端 S、电源负GND、电源正Vcc。在实际应用时，将S端连接在Arduino UNO控制器的模拟接口，例如模拟口A0，通过Arduino读取传感器输出的模拟量的值，然后再串口显示出来。

5 数据处理

5.1  电导率电压标定实验

系统产生的激励电流经过电极后能够得到一个反馈电压值，而电压值的变化对应了营养液浓度的变化。在此过程中要找到电压和电导率的关系，首先用电导率仪器进行电导率电压标定试验。在不同的环境下，氯化钾溶液的EC值可以保持相对稳定。所以，试验选用不同浓度的该溶液进行标定实验，并且要保证水浴温度设置为25℃恒温状态，这样可以减少温度带来的误差。为了在测量范围内平均化样品溶液的电导率值，选取100个浓度等差分配的溶液样品，避免了因为溶液可能会集中在某个范围导致检测结果有误。静态标定试验的标定结果如图5所示。

图5  标定试验结果

5.2  温度补偿试验

水培营养液的浓度在温度不同的情况下会发生变化，为了完善监测系统，对监测系统进行温度补偿试验，让系统更加能满足实际情况。首先测量在25℃下不同浓度的溶液电导率值，然后用既定模型回归得到不同温度下的电导率值。计算方法如公式(1)所示。

                          (1)

在25℃下配比样品溶液电导率分别为1.447、2.109、2.84、3.546、4.026和4.453 mS/cm，然后冷却至3℃，改变恒温水浴槽的温度改变样品的温度，每2℃测量一次样品的电导率值，等差升温到40℃，计算出各个温度式中的参数。将在不同温度下进行分段线性拟合后，可以看出拟合的R²在0.968以上。得到电导率温度补偿公式最终为公式(2)。

5.3  电导率值与电压值的处理

本系统实时检测浓度的变化时，是通过电导率电路所测得的不同浓度的溶液中电极两端所测电压值返回到主控芯片，判断是否在合适阈值之内，同时可以在串口监视器中看到当前的电压值。均匀选取EC值为1000uS·cm^-1到2500uS·cm^-1的范围内的100个数据，拟合结果如图6。可以看出，在电导率为1500mS·cm^-1到2500mS·cm^-1之间拟合效果较好。可以选取电压值在2000mV到3500mV为最合适电压值。

图6  电导率值与电压值线性关系

6 系统测试

在整个调试过程中最常出现的问题是由于水泵提供的压力不够，导致混合溶液没办法到达顶部。此时通过调换较细的管道可让水能流到顶部；水位传感器检测水位时，由于水流过快，容易导致水位检测还没反应过来，添加水就容易过量或过少，此时通过调节顶部喷头，可以控制水流的快慢；由于电导率电路得到电极两端的信号太微弱，需要对电极两端检测到的电流进行放大整流之后可以变为UNO板可以检测到的模拟信号。

7 总结

本文介绍了水培植物水循环控制系统软、硬件的设计，系统中针对植物水培的特点，设计了无土栽培下植物所需混合溶液的循环流动；通过对电导率的检测，实现水培植物通用营养液最适宜浓度的确定；将温度、光照和水位等值清楚的显示在显示屏幕上，使得使用起来更加方便快捷。实现检测的水位和浓度与设定值比较后，控制水泵分别添加清水或者营养液。

【参考文献】

[1] 国内温室营养液供给系统的现状研究[J].张亮,毛罕平,马淑英,陈立东,郑立新,石磊.农机化研究.2007(03):223-224

[2] 无土栽培营养液模糊自适应循环控制系统[J]. 孙霞,马明建.山东理工大学学报(自然科学版).2004(06):76-79.

[3] 温室营养液控制仪设计[J].程世利,李进京,傅旭光.山东农机.2004(12):16-18.

[4] 陈春宏,杨志杰,等现代化温室栽培营养液分析和检测研究初报[J].上海农业学报,1998,1（增刊）:51~56.

[5] 秦琳琳,孙德敏,王永,张利无土栽培营养液循环控制系统[J].农业工程学报,2003,7：264-266.