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第十二届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告━绿色养成专家
 

【作者: 張本仁教授、莊詠傑、溫侑儒】2018年11月02日 星期五

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一、前言

从八千年前至今,地球的绿色面积锐减不少。原本森林覆盖地球将近一半的陆地,现在只剩下陆地的7%。这造成的影响已经不只是单单植物生态的问题了,甚至影响到动物的生态:原本生长在原始树林生态的动物逐渐死亡。


目前各国都已响应环保,开始积极重视这个环保议题《绿色和平诉求》,希??世界各地的居民也积极重视这个问题,因此,我们想到一个能够居放在各个家庭中,或是替植物养殖业奉上一点心力。近来,许多智慧盆栽也有达到此类诉求,而我们则是将作品能够更居家化甚至更方便让养殖人去使用,能够在响应环保下轻松的尽自己的一份心力。


作品本身结合物联网(IoT)的应用能够提供温湿度的回覆在MCU上所连接e-Display的LCD面板上,更能靠使用者的手机去影响植物的环境光源的色彩;也能够在环经温度及湿度不足的情况下,控制水雾及密室升温的效果,呈现完整的绿色养成专家型态。


其特色在於将手机及作品作成互动的效果,更能够培养出使用者对植物的更多认知,或许我们生在这个资讯爆炸的年代,但想必一定还有许多人不知道周遭的植物它本身的名称及它的生长环境是甚麽吧?所以透过这个作品也能够让使用者更能够去了解为何要响应绿色?为何这些植物需要这麽多环境因素?进而让大众去认知更多此方面的议题。


作品本身能够提供的数据以及硬体上的设计,能够更便利、更趣味性的去培养温室里的植物,提升置放到更广大民众的生活周遭上,以达到全球绿化的一份心意。


二、工作原理

此作品的功能将是作为智慧盆栽之衍生,将温度控制系统、水雾洒水系统、环境光源控制系统的交流电控制,以及系统感测器模组I/O控制皆由HT66F2390该MCU的I/O接脚座控制。图1为工作流程图,其中采用了计时模组的单脉冲输出(Single Pulse Output)模式提供给感测模组起始讯号後,运用输入捕捉(Input Capture)模式经负缘触发抓取模组接收的值达成DHT-22温湿度的量测;利用AD介面感测土壤湿度并将其读取的讯号范围分成红(乾燥)、白(正常)、黄(湿润)三种等级;启用计时模组的PWM输出模式控制RGB Led的色彩及亮度;最後运用MCU透过e-Display面板的并列传输以加快LCD的显示。另外密室灯泡、水雾马达将透过MCU的I/O与继电器进行开关动作。



图1 : 工作流程图
图1 : 工作流程图

三、系统与测试方式

环境温度控制系统

利用密室升温的方式,将钨丝灯置入铁盒中,利用前端的风扇与後端的小洞及铁盒内的热气形成空气流动的热循环,将热气顺利送进温室内。利用继电器与MCU的I/O接脚控制钨丝灯的110V交流电源是否开启,并且将前端的风扇也进行I/O控制,需要热循环或者散热时可以控制启动。



图2 : 继电器控制交流电电路图
图2 : 继电器控制交流电电路图

图3 : 密室升温与风扇实体测试图
图3 : 密室升温与风扇实体测试图

透过温度感测後的数值以及判定是否是植物需要的环境来进行此控制系统的工作。



图4 : 温度控制系统流程图
图4 : 温度控制系统流程图

透过数据显示,不同的温度范围对成长率也有所不同,在50??~70??间呈线性关系,表示大部分的植物在这个温度区间是有相同的成长表现。因此,藉由密室温度控制可以保持这个温度区间,让植物的生长环境保持最隹状态。



图5 : 温度与相对成长率图
图5 : 温度与相对成长率图

土壤湿度控制系统

透过土壤检测器可以观测此时土壤湿度的程度,作品提供三种程度分别是红色(乾燥)、绿色(正常)、黄色(过湿)三阶段给使用者及程式判断是否开启水雾机制。



图6 : 土壤检测器测试图
图6 : 土壤检测器测试图

图7 : 环境数据示意图
图7 : 环境数据示意图

品将土壤检测器与提供适当的土壤湿度数据来控制是否开启洒水机制。



图8 : 水雾控制系统
图8 : 水雾控制系统

透过图9可以将必要灌溉水量(Ie,mm)以简单的公式估计:Ie=D(Vmax-Vmin)/100,让水量不会阻害植物的生长



图9 : 土壤水分利用检测图
图9 : 土壤水分利用检测图

环境光彩控制

透过蓝牙模组与色彩控制APP来控制环境光源,以R、G、B三个各别信号藉由MCU本身的I/O接脚来传送信号给手机端的APP,再由手机端进行颜色浓度的控制。


图10 : 5050-RGBLed白光测试图
图10 : 5050-RGBLed白光测试图
图11 : 5050-RGBLed蓝光测试图
图11 : 5050-RGBLed蓝光测试图
图12 : 5050-RGBLed绿光测试图
图12 : 5050-RGBLed绿光测试图
图13 : 5050-RGBLed红光测试图
图13 : 5050-RGBLed红光测试图
表1:植物光谱波长表

400 ~ 520nm(蓝)

此类波长可直接使植物根、茎部位发展,对於叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大,对光合作用影响最大。

520 ~ 610nm(绿)

绿色性植物排斥性推挤,绿色素的吸收率不高。

610 ~ 720nm(红)

植物的叶绿素吸收率不高,唯此波长对於光合作用与植物生长速度有显着影响。

720 ~ 1000nm

此波长泛属红外线波长,会直接刺激细胞延长,影响开花与种子发芽。

可以透过App与表一选择目前作物适合的环境色彩及浓度(RGB各色彩)。


图14 : 蓝牙环境光控制系统
图14 : 蓝牙环境光控制系统

四、硬体架构

DHT-22温/湿度感测器

环境温/湿度皆由DHT-22感测器读取数据回传MCU内部。从下方的DHT-22感测器的Datasheet图(图4)可以了解此感测器经由负缘讯号约4.5ms的时间抓取完整的数值,接着我们利用HT66F2390本身的PTM脉波宽度调变-单脉冲输出及输入捕捉模式-负缘捕捉来将数值读取传送至e-Display的LCD上显示。



图15 : DHT-22感测器Datasheet图
图15 : DHT-22感测器Datasheet图
图16 : DHT-22温室度感测器实体图
图16 : DHT-22温室度感测器实体图

土壤湿度检测器

至於土壤乾燥与否,将透过土壤检测器类比讯号传送至MCU内部做AD转换,再进行乾燥程度区分。


图17 : 土壤湿度检测器实体图
图17 : 土壤湿度检测器实体图

S108T02固态继电器

由於SSR包含了突波吸收线路或零交越侦测器以减少由负载电流中断所产生火花及暂态,所以使用固态继电器当作开关。利用MCU内部的I/O控制水雾马达、密室灯泡,以让温度控制系统以及水雾控制系统能够完整运作。


图18 : S108T02固态继电器实体图
图18 : S108T02固态继电器实体图

蓝牙模组与5050 RGBLed换彩灯条

RGBLed的环境颜色将用来帮助植物需要的色彩波长,让植物能够沉浸在可以帮助生长的颜色灯光下,成长得更好。透过蓝牙模组的RX接脚传送与MCU内的UART控制5050 Led的R、G、B个别亮度与亮灭。


图19 : 蓝牙模组实体图
图19 : 蓝牙模组实体图

五、叁考文献

叁考光谱对植物的影响数据:


https://www.ledinside.com.tw/knowledge/20140513-29332.html


叁考设施内的环境对作物的影响数据:


http://www.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/Hort/chap02.htm#section2_1


叁考灌溉计算方式:


http://www.ecaa.ntu.edu.tw/weifang/Hort/default.htm


DHT-22 DataSheet:


https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pdf


S108T02 Series:


https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Sharp%20PDFs/S108,208T02%20Series.pdf


蓝牙模组:


http://swf.com.tw/?p=693


培训大会上课讲义 作者:锺启仁


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