基于Arduino的自動(dòng)澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGEPAGEII基于Arduino的自動(dòng)澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的不斷改善，越來(lái)越多的家庭種植盆栽花卉。但是，由于人們工作繁忙，往往無(wú)法及時(shí)澆灌盆栽，影響其正常生長(zhǎng)，同時(shí)，人們?cè)跐补鄷r(shí)往往憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，導(dǎo)致澆灌不科學(xué)，直接影響植物生長(zhǎng)，造成水資源浪費(fèi)。關(guān)鍵詞：盆栽；澆灌；時(shí)間序列；Arduino

目錄摘要 I1前言 12相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介 22.1Arduino簡(jiǎn)介 22.1.1Arduino的結(jié)構(gòu)與工作原理 22.1.2Arduino的軟件編程 32.2傳感器簡(jiǎn)介 52.6.1土壤濕度傳感器 52.6.2空氣溫濕度傳感 63系統(tǒng)設(shè)計(jì) 73.1系統(tǒng)總體架構(gòu) 73.2系統(tǒng)流程 93.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì) 103.3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與反饋控制模塊設(shè)計(jì) 103.3.2系統(tǒng)智能分析與控制模塊設(shè)計(jì) 123.3.3系統(tǒng)異常報(bào)警控制模塊設(shè)計(jì) 164系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試 164.1時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法在智能澆灌系統(tǒng)中的應(yīng)用 164.1.1土壤濕度預(yù)測(cè) 164.1.2盆栽耗水量預(yù)測(cè) 164.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 174.3系統(tǒng)連接與配置 194.4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果 224.4.1盆栽信息一覽頁(yè)面 224.4.2植物信息管理頁(yè)面 224.4.3用戶設(shè)置頁(yè)面截圖 235結(jié)語(yǔ) 24參考文獻(xiàn) 25PAGE211前言傳統(tǒng)的供水方式主要有：恒速泵加壓供水?氣壓罐供水?水塔高位水箱供水和基于單片機(jī)的供水系統(tǒng)等方式?恒速系加壓供水模式中，水泵的工作方式多為工頻50此下定速旋轉(zhuǎn)模式，設(shè)計(jì)理念一般選用大容量水泵并使其工作在高效區(qū)，而實(shí)際情況并非如此，水泵常常無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)的工作效率和質(zhì)量，因此造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，同時(shí)損害設(shè)備的性能?恒速泵加壓供水方式不能對(duì)用戶管網(wǎng)的水壓做出相應(yīng)的調(diào)整，系統(tǒng)自動(dòng)化程度較低，很大程度上依賴于人工操作?為保證用戶充足的供水要求，系統(tǒng)經(jīng)常處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率低下?當(dāng)用戶用水需求不高時(shí)，管網(wǎng)超皮，易發(fā)生爆損并且引發(fā)水錘效應(yīng)，是目前不太采用的供水方式?氣壓罐供水方式的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單?占據(jù)空間較小?對(duì)高度要求不高?但這種供水方式的調(diào)節(jié)量范圍較小，且電機(jī)的啟動(dòng)頻率較商，多為硬啟動(dòng)方式，因此對(duì)電氣設(shè)備要求較為苛刻，同時(shí)停泵的壓力較高，導(dǎo)致出水壓力的增高，水泵處于低效段狀態(tài)，造成資源的過(guò)度浪費(fèi)，從而制約了其進(jìn)一步的發(fā)展W?水塔高位水箱供水是用于高層建筑供水的一種供水模式，它的優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單易懂，短時(shí)間內(nèi)的維修時(shí)可停電不停水?缺點(diǎn)是前期建設(shè)的所需的資金較多?占地面積較大?系統(tǒng)的維護(hù)工作較困難?并且水泵電機(jī)的啟動(dòng)頻率高，且為硬啟動(dòng)模式，因此聯(lián)軸器很容易被損壞?較上述幾種供水方式而言，基于單片機(jī)的供水系統(tǒng)做了相應(yīng)的改進(jìn)?在單片機(jī)供水方式中可做到變頻調(diào)速，因此其自動(dòng)化程度相對(duì)來(lái)說(shuō)有了一定程度的提高?但其不足在于系統(tǒng)需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期和高素質(zhì)的專業(yè)操作人員，可靠程度不高且維修不方便，并對(duì)惡劣的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性不強(qiáng)?為解決傳統(tǒng)供水方式存在的各種問(wèn)題，減少資源浪費(fèi)?提高供水的質(zhì)量和品質(zhì)，滿足用戶對(duì)供水的需求，必須對(duì)傳統(tǒng)的供水方式做出相應(yīng)的改進(jìn)和調(diào)整，通過(guò)尋求新的供水設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)一套性能更加可靠?資源利用率更高?自動(dòng)化程度更加先進(jìn)的供水系統(tǒng)?目前，供水系統(tǒng)遍布全國(guó)各地，從我國(guó)現(xiàn)有的供水系統(tǒng)來(lái)看主要存在以下幾個(gè)主要的問(wèn)題?首先是供水系統(tǒng)中的設(shè)備達(dá)不到要求，很少有先進(jìn)成熟的供水控制設(shè)備占領(lǐng)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)投入較少，不按要求選取設(shè)備，系統(tǒng)受到設(shè)備和元器件可靠性和壽命困擾?其次，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平不離，一些供水系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單純的供水功能，為用戶提供生活和工業(yè)用水，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水功能，用戶無(wú)法享受高質(zhì)量的供水，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有待提高?中國(guó)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)發(fā)展緩慢，目前發(fā)展來(lái)看，還是從學(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)，消化汲取營(yíng)養(yǎng)，慢慢的從沒(méi)有到出現(xiàn)，從出現(xiàn)到慢慢被重視，慢慢的學(xué)習(xí)的過(guò)程，逐漸被大家關(guān)注和接受認(rèn)可，也帶領(lǐng)著大家一起學(xué)習(xí)。在上個(gè)世紀(jì)八十年代中期，福建省引薦了當(dāng)時(shí)世界上灌溉水平最優(yōu)秀的一套灌溉系統(tǒng)，引進(jìn)于美國(guó)，非常有效的提高了我們國(guó)家對(duì)于灌溉系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，顯著的改善了我國(guó)灌溉設(shè)備的發(fā)展。在二十世紀(jì)末，我國(guó)灌溉使用微灌設(shè)備的面積就接近3萬(wàn)公頃，經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放后20多年的不斷學(xué)習(xí)，我國(guó)在學(xué)習(xí)和引薦其他國(guó)家的灌溉的優(yōu)秀先進(jìn)的地方不斷的學(xué)習(xí)積累經(jīng)驗(yàn)，也為我們國(guó)家自己研究和發(fā)展灌溉甚至突破灌溉系統(tǒng)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，做了良好的鋪墊。本世紀(jì)的十幾年，特別是最近十年來(lái)，我國(guó)更加重視農(nóng)業(yè)的發(fā)展，國(guó)家也更加需求農(nóng)業(yè)的突破，在政府的大力支持下，我國(guó)更加重視節(jié)水和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，自動(dòng)灌溉因此迅速蓬勃發(fā)展，盡管最近幾年的發(fā)展十分迅速，但是整體來(lái)看，水利用率還是比較低，灌溉系統(tǒng)特別是自動(dòng)灌溉技術(shù)還很有限，處于學(xué)習(xí)階段。綜合宏觀，我國(guó)與國(guó)際農(nóng)業(yè)發(fā)展靠前，特別是自動(dòng)灌溉技術(shù)靠前的國(guó)家還有如下距離：1.營(yíng)養(yǎng)液需求方面，我們沒(méi)有做到自動(dòng)控制，不能按照比例混合，依然還要依靠人力物力，運(yùn)用一些傳統(tǒng)的運(yùn)輸工具或者人工逐漸的給予施肥，很大程度上浪費(fèi)人力物力和時(shí)間。2.沒(méi)有自己創(chuàng)新創(chuàng)造的成品，處于引薦階段，除了引薦的少部分先進(jìn)的產(chǎn)品，我們運(yùn)用于農(nóng)作物的依然是傳統(tǒng)的設(shè)備，沒(méi)有突破，缺少創(chuàng)新。3.天氣氣候之類的外部因素不能被考慮，灌溉依然處于單一的控制上。4.投入較少，沒(méi)有先進(jìn)團(tuán)隊(duì)，靠的還是以前的落后的灌溉方法，和發(fā)達(dá)國(guó)家，以色列等國(guó)家有明顯距離?？偠灾?，我國(guó)與先進(jìn)灌溉技術(shù)國(guó)家的差距很大，十分明顯，包括技術(shù)方面，包括人力投入專業(yè)學(xué)習(xí)方面，設(shè)備上，以及態(tài)度認(rèn)識(shí)上都還很欠缺，面對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增多，國(guó)家對(duì)于灌溉的需求上，我們還有很長(zhǎng)的路要走。人類文明的進(jìn)步一定離不開(kāi)農(nóng)業(yè)，糧食是人類生存的根本，是文明的基石，是所有創(chuàng)造和創(chuàng)新的基礎(chǔ)和可能，因此農(nóng)業(yè)的發(fā)展，也必然是不可或缺的。然而農(nóng)業(yè)的發(fā)展也一定離不開(kāi)教育，農(nóng)業(yè)的發(fā)展一定離不開(kāi)科學(xué)的支持。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，我們的先輩作出了非常多的努力，他們辛勤的耕耘才有了現(xiàn)代美好的生活。社會(huì)在進(jìn)步，人口在增長(zhǎng)，我們先輩留下的傳統(tǒng)灌溉卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)代的農(nóng)業(yè)需求。我們水資源的緊缺也迫使我們作出更過(guò)的改變突破和可能。傳統(tǒng)灌溉總是離不開(kāi)農(nóng)民的辛苦，如今的發(fā)展便是有著解放農(nóng)民的重任，更有造福后代的使命，是節(jié)水的必然選擇，是可持續(xù)發(fā)展的必然結(jié)果。所以，為了提高產(chǎn)量，解放勞動(dòng)力，節(jié)約用水，我們勢(shì)必走上發(fā)展的道路——自動(dòng)灌溉。節(jié)約水資源，節(jié)約能源是發(fā)展的必然需求。如今的灌溉有了科技的幫助，可以打程度的提高農(nóng)業(yè)的生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物對(duì)水的吸收，更加全面的提高了產(chǎn)量，方便了管理，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和創(chuàng)造，降低了人力物力成本，也更加促使了大家學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)，為社會(huì)不斷進(jìn)步和突破不斷奉獻(xiàn)的意識(shí)。目前，供水系統(tǒng)遍布全國(guó)各地，從我國(guó)現(xiàn)有的供水系統(tǒng)來(lái)看主要存在以下幾個(gè)主要的問(wèn)題?首先是供水系統(tǒng)中的設(shè)備達(dá)不到要求，很少有先進(jìn)成熟的供水控制設(shè)備占領(lǐng)市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)供水系統(tǒng)投入較少，不按要求選取設(shè)備，系統(tǒng)受到設(shè)備和元器件可靠性和壽命困擾?其次，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平不離，一些供水系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單純的供水功能，為用戶提供生活和工業(yè)用水，無(wú)法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓供水功能，用戶無(wú)法享受高質(zhì)量的供水，并且系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有待提高?設(shè)計(jì)智能盆栽澆灌系統(tǒng)產(chǎn)品有三項(xiàng)創(chuàng)新意義。（1）市面上的產(chǎn)品均以大型澆灌設(shè)備為主，價(jià)格昂貴且安裝工程大，一般澆灌設(shè)備沒(méi)有智能澆灌功能，智能盆栽澆灌系統(tǒng)具有自動(dòng)尋找盆栽位置、計(jì)算澆灌水量以及太陽(yáng)能充電功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守澆灌植物功能、節(jié)能環(huán)保，符合使用者需求；（2）造型時(shí)尚符合都市蝸居白領(lǐng)們的審美情趣，采用的濕度傳感及水泵控制技術(shù)可靠性高，功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理；（3）適合批量化生產(chǎn)，隨著智能小家電的普及和推廣，都市人群消費(fèi)理念轉(zhuǎn)變，智能盆栽澆灌系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。2相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介2.1Arduino簡(jiǎn)介2.1.1Arduino的結(jié)構(gòu)與工作原理Arduino的MCU通常使用ATmega328或ATmega168，這兩個(gè)都是由Atmel公司生產(chǎn)的8位微控制器，其他MCU還有ATmega8、ATmega1280、ATmega2560等。ATmega8一共含有6個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，也叫A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱ADC（AnalogtoDigitalConverter），每個(gè)ADC的分辨率為10位，也就是說(shuō)其輸出的離散數(shù)字信號(hào)有1024（2^10=1024）個(gè)。Arduino主板上還有幾個(gè)LED，一個(gè)用于顯示Arduino主板是否供電；還有兩個(gè)會(huì)在通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)閃爍；Arduino狀態(tài)LED，與數(shù)字IO口13相連。Arduino結(jié)構(gòu)如圖2-1所示：圖2-1Arduino結(jié)構(gòu)圖2.1.2Arduino的軟件編程Arduino的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境非常簡(jiǎn)單，沒(méi)有調(diào)試及代碼自動(dòng)補(bǔ)全等高級(jí)功能，ArduinoIDE的界面如圖2-2所示：圖2-2ArduinoIDE大自然總是十分的奇妙，養(yǎng)育著一代又一代的人民，可是大自然也不能全方位的在適合的地點(diǎn)適合的時(shí)間給予適合的降水，也會(huì)有自然災(zāi)害影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)。現(xiàn)代的灌溉是及時(shí)的，是能夠有效解決大阻燃降水不均的弱點(diǎn)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行最合適的水量需求。以前鬧洪災(zāi)旱災(zāi)造成很多人食不果腹，后來(lái)出現(xiàn)了人工降雨，著也是對(duì)于旱災(zāi)不得已的選擇，很大程度上造成了浪費(fèi)水資源，不能充分利用的缺點(diǎn)。如今的自動(dòng)灌溉的出現(xiàn)，解決了絕大部分農(nóng)作物用水上的不足之處。自動(dòng)灌溉實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物不缺水，不溺水，不同作物不同需求的難題，最大程度實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物更好更快的生長(zhǎng)?？沙掷m(xù)發(fā)展是近幾年來(lái)非常流行的口號(hào)，自動(dòng)灌溉，對(duì)農(nóng)作物分類灌溉有著節(jié)能節(jié)水，節(jié)省人力物力，擴(kuò)大灌溉面積，提高農(nóng)作物質(zhì)量的眾多長(zhǎng)處，自動(dòng)灌溉是當(dāng)代科技發(fā)展的必然，它被國(guó)家重視，被人民認(rèn)可，前進(jìn)著，慢慢的代替以往低水平的灌溉技術(shù)。在實(shí)際的應(yīng)用中需要使Arduino與其它設(shè)備之間進(jìn)行相互通信，Arduino可以通過(guò)串口連接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，Arduino上的串口監(jiān)視器按鈕可以幫助使用者查看Arduino發(fā)送與回傳的數(shù)據(jù)。2.2傳感器簡(jiǎn)介系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)原則如下：1．完整性原則完整性對(duì)于系統(tǒng)論來(lái)說(shuō)，是必須的，若沒(méi)有完整性，系統(tǒng)就像汽車只安裝了一半，肯定啟動(dòng)不了。所以對(duì)這個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也是一樣，為了減少各種問(wèn)題的出現(xiàn)，優(yōu)先做到完整性，讓自動(dòng)灌溉能夠得到更好的實(shí)現(xiàn)，完成相應(yīng)的工作。出于謹(jǐn)慎，設(shè)計(jì)時(shí)的性能最好比實(shí)際要求要一些，以達(dá)到系統(tǒng)操作的更加完整。2．可靠性原則一個(gè)系統(tǒng)想要比較好的運(yùn)行，也必須要要有可靠性。系統(tǒng)的可靠十分重要，不管是在什么時(shí)間，都要求系統(tǒng)能夠可靠的運(yùn)行。比如能不能在陽(yáng)光比較大的情況下，電機(jī)不會(huì)因?yàn)楦邷夭荒芄ぷ鳎谙掠甑臅r(shí)候，電機(jī)不會(huì)短路造成灌溉的不可靠。說(shuō)到底就是一個(gè)系統(tǒng)不管有多么精密的計(jì)算，有多么先進(jìn)，假如并不能進(jìn)行可靠的工作，時(shí)不時(shí)的出現(xiàn)一些這個(gè)或者那個(gè)問(wèn)題，甚至用了一兩次就壞，這些對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是失敗的。因此可以看出可靠性也是一個(gè)系統(tǒng)得到大家認(rèn)可的必不可少的一項(xiàng)。3．發(fā)展性原則可持續(xù)發(fā)展一直是當(dāng)代文明的要求，該系統(tǒng)是關(guān)于灌溉方面的系統(tǒng)，有關(guān)于農(nóng)作物也是國(guó)家發(fā)展的方向。發(fā)展性包括一個(gè)設(shè)備能夠可持續(xù)的工作，不可能工作一兩次就出現(xiàn)故障或者不能運(yùn)作就有很大問(wèn)題了。另外也是響應(yīng)國(guó)家的政策，能夠有發(fā)展的可能，能夠考慮今后社會(huì)不斷發(fā)展之后，系統(tǒng)可持續(xù)。只有可持續(xù)才是真正實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)能，節(jié)約人力物力時(shí)間的最重要的性質(zhì)。4．經(jīng)濟(jì)性原則成本也是我們要考慮的重要因素，系統(tǒng)成本太高，那就是有錢(qián)人玩的游戲，也一定得不到廣泛的運(yùn)用。有些系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的操作，設(shè)計(jì)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成本非常高，這種設(shè)計(jì)理念就完全違背了經(jīng)濟(jì)型的原則。設(shè)計(jì)系統(tǒng)本身的目的就是降低成本，節(jié)能減排，減少投資，人力和物力。過(guò)多的投資只是形成不必要的浪費(fèi)，復(fù)雜的設(shè)計(jì)沒(méi)有過(guò)多的意義，在能夠?qū)崿F(xiàn)功能的情況下，盡可能的實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型的原則。5．開(kāi)發(fā)周期短開(kāi)發(fā)周期短是時(shí)代對(duì)于我們的要求，系統(tǒng)程序的運(yùn)作最好是在更短的時(shí)間內(nèi)完成，能夠快速的更新，能夠盡快的參與到工作當(dāng)中，能夠盡快的給系統(tǒng)得到成效，才能真正意義上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的意義，節(jié)能節(jié)水，盡快實(shí)現(xiàn)。6．操作維護(hù)方便系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要，那么系統(tǒng)的維護(hù)也一定非常重要。沒(méi)有設(shè)備能保證一定不出問(wèn)題，所以系統(tǒng)最好選擇比較簡(jiǎn)單的程序，能夠讓大家很快的學(xué)習(xí)和掌握，特別是讓設(shè)備有故障之后能夠盡快的解決處理，保證系統(tǒng)工作。2.6.1土壤濕度傳感器系統(tǒng)中使用的土壤濕度傳感器型號(hào)為YL-69，如圖2-3所示：圖2-3土壤濕度傳感器土壤濕度傳感器的電路原理圖如圖2-4所示：圖2-4YL-69濕度傳感器原理圖2.6.2空氣溫濕度傳感AT89C51是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)產(chǎn)生，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C51提供了高性價(jià)比的解決方案，AT89C51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程[19]。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。單片機(jī)，從其本質(zhì)的職能上來(lái)看的話，我們不難發(fā)現(xiàn)，其主要的本質(zhì)職能是一種集成的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)，他的絕大部分的功能，在具體的作用和客觀的實(shí)施過(guò)程中，都是集成在一個(gè)很小的芯片上，但是從客觀的層面上，其內(nèi)部的相關(guān)部件以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)是一種非常完整的狀態(tài)的：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，并且從當(dāng)前的實(shí)際發(fā)展形勢(shì)上來(lái)看的話，我們不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前絕大多數(shù)的單片機(jī)是有外存系統(tǒng)存在的。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。但是從當(dāng)前功能最為強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)看的話，其能夠行使的職能也呈現(xiàn)出一種不斷的加強(qiáng)和擴(kuò)展的態(tài)勢(shì)，甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller），最早的起源領(lǐng)域是在具體的工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域，是得到了大力的發(fā)展和有效的實(shí)施的。單片機(jī)由芯片內(nèi)只是在CPU這樣的一種核心處理器的作用之下，予以高效的發(fā)展和系統(tǒng)性的予以實(shí)施的。最早的設(shè)計(jì)理念是通過(guò)將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，進(jìn)而最終使得整個(gè)計(jì)算機(jī)不管是從外觀上，還是從其實(shí)際的性能上，都是一種高度的發(fā)展和高效的集成的態(tài)勢(shì)，在整個(gè)控制設(shè)備實(shí)施的過(guò)程中，不管是從其控制系統(tǒng)還是從控制結(jié)構(gòu)都是呈現(xiàn)出一種更加的復(fù)雜化，精細(xì)化的發(fā)展趨勢(shì)。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。它具有如下主要特性：（1）和MCS-51產(chǎn)品的兼容（2）2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器（3）耐久性：1,000寫(xiě)／擦除周期（4）2.7V～6V的操作范圍（5）全靜態(tài)圖2-5中所示為DHT11數(shù)字溫濕度傳感器：圖2-55DHT11數(shù)字溫濕度傳感器DHT11溫濕度傳感器的電路原理如圖2-6所示：4圖2-6DHT空氣溫濕度傳感器原理圖DHT11溫濕度傳感器的工作過(guò)程為：首先為DHT11供電，其工作電壓通常為3~5.5V，通電后，不需要指令控制，傳感器便會(huì)自動(dòng)工作，通常在1s左右傳感器趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)要讀取傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，控制器需要先向DHT11發(fā)送讀取信號(hào)命令，當(dāng)DHT11收到指令后要進(jìn)行響應(yīng)，只有當(dāng)控制器接收到DHT11的響應(yīng)后才能讀取DHT11采集到的數(shù)據(jù)。3系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體架構(gòu)所謂智能澆灌系統(tǒng)，是指在無(wú)人控制的情況下，系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)盆栽的實(shí)時(shí)狀況，并決定什么時(shí)候需要澆灌，什么時(shí)候停止?jié)补?；系統(tǒng)能夠在盆栽需水的時(shí)候自動(dòng)實(shí)施澆灌，并在需要停止的時(shí)候自動(dòng)停止?jié)补?。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖3-1所示：圖3-1系統(tǒng)總體架構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部工作流程為：①傳感器按照設(shè)定的頻率采集盆栽的土壤濕度信息和所處環(huán)境的溫濕度信息；②Arduino控制器負(fù)責(zé)將傳感器采集到的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換和集成，并將集成的數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino上的ZigBee接口以無(wú)線方式傳送到后臺(tái)服務(wù)器；③智能分析與控制模塊利用位于服務(wù)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，將分析得到的結(jié)果傳送到服務(wù)器。3.2系統(tǒng)流程基于數(shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)的流程圖如圖3-2所示。當(dāng)用戶進(jìn)入系統(tǒng)后，在系統(tǒng)主頁(yè)面內(nèi)選擇盆栽的名稱，設(shè)定盆栽所在的環(huán)境（室內(nèi)或者室外）等信息，設(shè)置完成后系統(tǒng)啟動(dòng)各個(gè)模塊開(kāi)始工作，完成對(duì)盆栽的智能化澆灌?；跀?shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)的具體工作流程如下：（1）用戶進(jìn)入系統(tǒng)，對(duì)盆栽的具體情況進(jìn)行設(shè)定，并啟動(dòng)系統(tǒng)；（2）系統(tǒng)啟動(dòng)前臺(tái)信息采集模塊采集數(shù)據(jù)，利用傳感器對(duì)盆栽的土壤濕度信息和空氣的溫濕度信息進(jìn)行采集，采集頻率是每三分鐘一次，并將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)系統(tǒng)在對(duì)盆栽實(shí)施澆灌期間，系統(tǒng)自動(dòng)增加信息采集頻率，為30秒采集一次，并自動(dòng)記錄每次澆灌后土壤達(dá)到的最高土壤濕度；（3）利用采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)構(gòu)建土壤濕度預(yù)測(cè)模型，用以預(yù)測(cè)未來(lái)十五分鐘的土壤濕度，得到未來(lái)十五分鐘的五個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土壤濕度值；（4）根據(jù)盆栽名稱從規(guī)則庫(kù)中得到該盆栽所需的土壤濕度的最低閾值和最高閾值，將得到的土壤濕度的五個(gè)預(yù)測(cè)值和閾值用于CUSUM檢測(cè)方法，以檢測(cè)土壤濕度是否出現(xiàn)超出規(guī)定范圍的情況，若其中連續(xù)兩個(gè)土壤濕度值低于土壤濕度下限閾值，則認(rèn)為盆栽即將缺水，進(jìn)入步驟5，否則從步驟1重新執(zhí)行；圖3-2系統(tǒng)流程圖（5）若盆栽處于室內(nèi)條件，則進(jìn)入步驟7，若盆栽處于室外條件，則進(jìn)入步驟6；（6）根據(jù)當(dāng)前的氣象信息和溫度、時(shí)間等條件到規(guī)則庫(kù)中匹配滿足當(dāng)前條件的相關(guān)規(guī)則，并根據(jù)規(guī)則的結(jié)論實(shí)施澆灌，若盆栽適宜澆灌則進(jìn)入步驟7，否則進(jìn)入步驟1；（7）利用盆栽耗水量預(yù)測(cè)模型，對(duì)當(dāng)前這次澆灌至下次澆灌的時(shí)間段內(nèi)的盆栽耗水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到本次的最佳澆灌用水量H，進(jìn)入步驟8；（8）根據(jù)決策結(jié)果實(shí)施澆灌，當(dāng)澆灌水量為H時(shí)停止?jié)补啵M(jìn)入步驟1。3.3系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)3.3.1系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與反饋控制模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與反饋控制模塊主要由Arduino主控板、土壤濕度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、旋轉(zhuǎn)傳感器、澆灌模塊和繼電器組成，該模塊主要用于前臺(tái)數(shù)據(jù)的采集、傳輸與澆灌模塊的控制。在Arduino的控制下，土壤濕度傳感器和環(huán)境溫濕度傳感器以三分鐘一次的頻率采集盆栽的土壤濕度信息和所處的環(huán)境的溫濕度信息，這些原始信息由Arduino進(jìn)行轉(zhuǎn)換和集成，并將集成的數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino主板上的ZigBee接口以無(wú)線方式傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析得出當(dāng)前條件是否適宜澆灌的結(jié)論，若結(jié)論是當(dāng)前條件符合澆灌條件，則將此信號(hào)發(fā)送給Arduino控制器，Arduino收到信號(hào)后打開(kāi)澆灌模塊的電路開(kāi)始澆灌，當(dāng)Arduino收到由服務(wù)器發(fā)出的停止?jié)补嘈盘?hào)時(shí)，Arduino便控制澆灌模塊停止?jié)补?，硬件的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖3-3硬件結(jié)構(gòu)圖上圖中的各種硬件設(shè)備功能如下：（1）微控制器：帶有ZigBee無(wú)線傳輸接口，是硬件控制中心，負(fù)責(zé)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將整合后的數(shù)據(jù)以無(wú)線的方式發(fā)送到服務(wù)器上；對(duì)智能分析和控制模塊的決策信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)澆灌模塊的控制。（2）土壤濕度傳感器：用于測(cè)量和采集盆栽土壤的含水量。（3）環(huán)境溫濕度傳感器：用于測(cè)量和采集環(huán)境的溫度和濕度信息。（4）旋轉(zhuǎn)傳感器：用來(lái)調(diào)節(jié)澆灌模塊的出水量。（5）繼電器：實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的開(kāi)關(guān)控制，控制澆灌模塊的打開(kāi)和關(guān)閉。（6）.澆灌模塊：用來(lái)實(shí)現(xiàn)澆灌。（7）后臺(tái)服務(wù)器：包括系統(tǒng)的軟件部分，以無(wú)線方式接收控制器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，將對(duì)數(shù)據(jù)分析得到的結(jié)果與控制器進(jìn)行交互。3.3.2系統(tǒng)智能分析與控制模塊設(shè)計(jì)智能分析與控制模塊主要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與決策，并對(duì)控制器發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：土壤濕度預(yù)測(cè)、規(guī)則庫(kù)匹配、盆栽耗水量預(yù)測(cè)。（1）土壤濕度預(yù)測(cè)用于土壤濕度預(yù)測(cè)的ARMAX模型只能用于平穩(wěn)時(shí)間序列，對(duì)于不平穩(wěn)的時(shí)間序列，需要將時(shí)間序列進(jìn)行差分處理使其滿足平穩(wěn)性條件才能進(jìn)行模型的構(gòu)建。當(dāng)采集到土壤濕度數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)和預(yù)處理等操作，使土壤濕度序列符合平穩(wěn)性條件，將處理后的平穩(wěn)性序列構(gòu)建ARMAX模型，預(yù)測(cè)結(jié)果為未來(lái)十五分鐘時(shí)間內(nèi)五個(gè)時(shí)間點(diǎn)的土壤濕度值，土壤濕度預(yù)測(cè)模型的具體構(gòu)建過(guò)程在第四章第二小節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。預(yù)測(cè)得到土壤濕度值后并不是直接與設(shè)定的土壤濕度閾值直接比較，因?yàn)橹苯颖容^的話只考慮了預(yù)測(cè)的土壤濕度值中的最后一個(gè)值，不能排除土壤濕度值中出現(xiàn)的某次突變情況，而CUSUM算法綜合利用了預(yù)測(cè)的整個(gè)土壤濕度數(shù)值序列的信息，因此能更好的對(duì)超出范圍的觀察值進(jìn)行識(shí)別，減少判斷的錯(cuò)誤率。系統(tǒng)中將預(yù)測(cè)得到的土壤濕度值與CUSUM算法相結(jié)合，充分利用CUSUM檢測(cè)算法對(duì)變化較小的序列檢測(cè)較為敏感的特點(diǎn)，提高系統(tǒng)檢測(cè)的靈敏度。當(dāng)判定盆栽需要澆灌后，系統(tǒng)還需要結(jié)合規(guī)則庫(kù)中的相關(guān)規(guī)則決策當(dāng)前條件是否適合澆灌。（2）規(guī)則庫(kù)設(shè)計(jì)一方面，為了提高系統(tǒng)解決問(wèn)題的能力，使系統(tǒng)具有專家水平的專業(yè)知識(shí)，將系統(tǒng)與規(guī)則庫(kù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同條件下的盆栽的個(gè)性化澆灌；另一方面，由于植物習(xí)性不同，本系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建規(guī)則庫(kù)對(duì)不同植物的澆灌標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范和約束。實(shí)現(xiàn)盆栽的按需澆灌、最優(yōu)化澆灌需要考慮的方面比較多，比如：當(dāng)土壤濕度降低到一定閾值時(shí)，說(shuō)明盆栽所處的土壤水分滿足不了盆栽的需求，這時(shí)就需要對(duì)盆栽進(jìn)行澆灌，但并不是馬上實(shí)施澆灌，系統(tǒng)若要達(dá)到較高的智能化程度就需要根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)施。通常情況下，人們會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮當(dāng)前的溫度等是否適合澆灌，即當(dāng)前情況下的澆灌是否對(duì)盆栽的生長(zhǎng)有益，有些情況下即使盆栽缺水也不能澆灌，比如在夏天中午環(huán)境溫度較高時(shí)就不適宜澆灌，因?yàn)闇囟容^高時(shí)，土壤溫度也較高，若澆灌涼水，土溫就會(huì)急速下降導(dǎo)致根系吸水能力下降，但此時(shí)盆栽的蒸騰作用旺盛，最后會(huì)使盆栽蒸騰的水分較多卻吸水很少，盆栽就會(huì)萎蔫，因此不能僅僅依靠檢測(cè)盆栽是否缺水而決定澆水與否，還要考慮環(huán)境條件。同樣，若未來(lái)即將要下雨，此時(shí)若還是按照原來(lái)的方案實(shí)施澆灌必然會(huì)造成盆栽被過(guò)量澆灌，不僅對(duì)盆栽的生長(zhǎng)不利，還造成了水資源的浪費(fèi)。此外，不同的盆栽品種對(duì)水分的需求不同，不同盆栽在不同的季節(jié)要求的土壤濕度不同。因此，根據(jù)盆栽種類和環(huán)境條件對(duì)盆栽實(shí)施個(gè)性化的澆灌策略是實(shí)現(xiàn)智能澆灌和節(jié)水澆灌的主要途徑。若將上述影響澆灌的因素以規(guī)則庫(kù)的形式應(yīng)用到澆灌系統(tǒng)中，使系統(tǒng)在澆灌之前根據(jù)當(dāng)前的條件查找相應(yīng)的規(guī)則，然后根據(jù)規(guī)則的結(jié)論實(shí)施澆灌，不僅可以使?jié)补嘞到y(tǒng)對(duì)盆栽的澆灌更加科學(xué)合理，而且更符合人類的思維和經(jīng)驗(yàn)。本系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則包括：不同時(shí)間和環(huán)境下對(duì)盆栽應(yīng)采取的澆灌措施，如溫度條件不同；不同氣象信息情況下應(yīng)采取的澆灌措施，如下雨天的情況；盆栽的品種及習(xí)性，如不同品種盆栽所需的土壤濕度不同等。其基本原理如下：①通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)HttpWebRequest對(duì)象對(duì)服務(wù)器發(fā)出請(qǐng)求，HttpWebRequest對(duì)象的創(chuàng)建代碼如下：HttpWebRequestrequest=（HttpWebRequest）WebRequest.Create（Url）；Url是指獲得信息的網(wǎng)址，在這里的Url是使用"http://"或"https://"開(kāi)頭的。②完成對(duì)服務(wù)器的請(qǐng)求之后，需要獲取從服務(wù)器中返回的信息，其代碼如下：HttpWebResponseresponse=（HttpWebResponse）request.GetResponse（）；得到的氣象信息如圖3-4所示：圖3-4系統(tǒng)獲取的氣象信息規(guī)則庫(kù)最常用的知識(shí)表示方式為if…then…的形式，即產(chǎn)生式結(jié)構(gòu)。目前的規(guī)則庫(kù)系統(tǒng)中有多種方法表示產(chǎn)生式規(guī)則，本文中利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)和表示產(chǎn)生式規(guī)則。為了方便用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和解釋規(guī)則，規(guī)定前提中的元事實(shí)之間只能是“與”邏輯關(guān)系，對(duì)于規(guī)則中的“或”邏輯關(guān)系，需要先將規(guī)則分解成前提中不包含“或”關(guān)系的多條規(guī)則，例如：IFA?BTHENC?IFATHENC，orIFBTHENC在應(yīng)用規(guī)則庫(kù)的系統(tǒng)中通常使用推理機(jī)實(shí)現(xiàn)由已知事實(shí)推出結(jié)論這一過(guò)程。本文中使用正向推理的方法，即根據(jù)當(dāng)前獲得的已知事實(shí)和條件，到數(shù)據(jù)庫(kù)中的規(guī)則前件中進(jìn)行匹配，匹配成功的前件所對(duì)應(yīng)的規(guī)則就是滿足條件的規(guī)則，若有多條規(guī)則匹配成功，則優(yōu)先選擇優(yōu)先級(jí)高的規(guī)則。圖3-5規(guī)則庫(kù)狀態(tài)機(jī)（3）盆栽耗水量預(yù)測(cè)本文提出的基于數(shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)能自動(dòng)記錄盆栽的歷史耗水量（澆灌用水）數(shù)據(jù)，并利用這些歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前的溫濕度和土壤濕度信息構(gòu)建ARMAX模型，利用構(gòu)建的模型預(yù)測(cè)盆栽未來(lái)時(shí)間段內(nèi)的耗水量，將預(yù)測(cè)的耗水量作為盆栽所需的水量，當(dāng)澆灌水量等于盆栽預(yù)測(cè)耗水量時(shí)停止?jié)补?，?shí)現(xiàn)對(duì)澆灌水量的精準(zhǔn)控制。由于系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，并沒(méi)有盆栽的耗水量數(shù)據(jù)，所以系統(tǒng)開(kāi)始時(shí)用設(shè)定閾值的方法控制澆灌模塊的關(guān)閉，即當(dāng)澆灌過(guò)程中的土壤濕度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)停止?jié)补?，但是系統(tǒng)會(huì)記錄每次的澆灌用水量和達(dá)到的最高的土壤濕度，當(dāng)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)達(dá)到50次時(shí)構(gòu)建ARMAX模型進(jìn)行盆栽耗水量預(yù)測(cè)，并在以后的模型構(gòu)建中進(jìn)行模型修正，使模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確。3.3.3系統(tǒng)異常報(bào)警控制模塊設(shè)計(jì)由于系統(tǒng)采用提前澆灌的方式，能夠使土壤濕度保持在最高閾值和最低閾值之間變化，據(jù)此可將本系統(tǒng)中的異常分為以下三類：（1）當(dāng)土壤濕度值持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間保持在某一個(gè)濕度值不變時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)出現(xiàn)異常，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，在系統(tǒng)頁(yè)面顯示出現(xiàn)的問(wèn)題。（2）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到土壤濕度值已經(jīng)超出最高閾值且濕度值一直呈上升趨勢(shì)時(shí)，可能是水泵或控制水泵的電磁閥出現(xiàn)故障，使得水泵處于一直開(kāi)啟的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)此異常時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，并在頁(yè)面顯示出現(xiàn)的問(wèn)題。（3）當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到土壤濕度值已經(jīng)低于最低閾值并且土壤濕度值一直呈下降趨勢(shì)，則可能是水泵或控制水泵的電磁閥出現(xiàn)故障，使得水泵處于無(wú)法開(kāi)啟狀態(tài)，或者是水池中的水已經(jīng)用完，發(fā)現(xiàn)此異常時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并在系統(tǒng)頁(yè)面顯示出現(xiàn)的問(wèn)題。4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試4.1時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法在智能澆灌系統(tǒng)中的應(yīng)用文通過(guò)引入時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法對(duì)澆灌操作進(jìn)行控制，其中時(shí)間序列預(yù)測(cè)在澆灌系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有兩個(gè)方面：4.1.1土壤濕度預(yù)測(cè)通過(guò)土壤濕度預(yù)測(cè)能提前感知盆栽土壤的水含量情況，并在盆栽未進(jìn)入缺水狀態(tài)時(shí)提前采取措施，使盆栽的土壤濕度在濕度下限閾值和上限閾值之間平穩(wěn)變化，盡量為盆栽提供一個(gè)穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境；4.1.2盆栽耗水量預(yù)測(cè)通常情況下盆栽的耗水量與盆栽所需的澆灌水量是相等的，系統(tǒng)通過(guò)盆栽耗水量預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)澆灌用水量的精確控制。系統(tǒng)能自動(dòng)記錄盆栽歷次耗水量及澆灌后土壤濕度達(dá)到的最高值等數(shù)據(jù)信息，并用這些數(shù)據(jù)構(gòu)建耗水量預(yù)測(cè)模型，在每次澆灌時(shí)根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境條件預(yù)測(cè)在本次澆灌和下次澆灌之間的時(shí)間段內(nèi)盆栽的耗水量，并以此作為盆栽所需的澆灌水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽的精準(zhǔn)澆灌。系統(tǒng)中用到了ARMAX模型對(duì)土壤濕度和盆栽耗水量進(jìn)行預(yù)測(cè)。ARMAX模型的建模步驟與ARMA模型的建模步驟一樣，其步驟為：（1）數(shù)據(jù)序列的預(yù)處理，因?yàn)槭褂脮r(shí)間序列預(yù)測(cè)模型的前提條件是時(shí)間序列數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性，所以要先判斷該序列是否為平穩(wěn)序列，若序列不滿足平穩(wěn)性條件則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分預(yù)處理，得到平穩(wěn)序列；（2）模型識(shí)別，計(jì)算觀察值序列的樣本自相關(guān)系數(shù)（ACF）和樣本偏自相關(guān)系數(shù)（PACF）的值，然后根據(jù)ACF和PACF圖的特點(diǎn)確定序列適應(yīng)于AR（p）模型、MA（q）模型還是ARMA（p,q）模型；（3）模型定階，利用赤池信息量準(zhǔn)則（AIC準(zhǔn)則）確定模型最佳階數(shù)，即選擇最佳的p、q值使模型最優(yōu)；（4）模型參數(shù)識(shí)別，估計(jì)模型中的未知參數(shù)的值；4.2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為了結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)之間的關(guān)系表達(dá)和數(shù)據(jù)的管理，提高數(shù)據(jù)的共享性和獨(dú)立性，同時(shí)減少數(shù)據(jù)冗余，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)使用數(shù)據(jù)庫(kù)SQLSERVER2005存儲(chǔ)，需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有用戶信息、盆栽種類信息、前臺(tái)采集的溫濕度信息、規(guī)則庫(kù)、澆灌用水量數(shù)據(jù)等。下面對(duì)智能澆灌系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)庫(kù)表的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹：（1）溫濕度數(shù)據(jù)表數(shù)據(jù)庫(kù)中的溫濕度數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)由數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的環(huán)境溫濕度信息和土壤濕度信息。溫濕度數(shù)據(jù)表的表名是condition，condition表的設(shè)計(jì)如圖4-1，表中id為自增字段，步長(zhǎng)為1，是表的主鍵；dt_humidity為測(cè)得的土壤濕度數(shù)據(jù)；dhumidity為測(cè)得的空氣濕度信息；dtem為測(cè)得的空氣溫度數(shù)據(jù)；dtime為數(shù)據(jù)采集時(shí)間；sen_id為采集到該條數(shù)據(jù)的傳感器編號(hào)；user_id為該條數(shù)據(jù)所屬的用戶編號(hào)。圖4-1溫濕度數(shù)據(jù)表condition（2）規(guī)則庫(kù)本系統(tǒng)中使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)規(guī)則庫(kù)中的知識(shí)，使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)知識(shí)庫(kù)需要三張表。=1\*GB3①元事實(shí)表：meta_fact（meta_id，fact_des），meta_id表示元事實(shí)的編號(hào)，是表的主鍵，fact_des表示元事實(shí)的內(nèi)容，表的設(shè)計(jì)如圖4-2所示：圖4-2規(guī)則庫(kù)中的元事實(shí)表=2\*GB3②規(guī)則前件表：rule_pre（fact_id，rule_name，meta_id，active），fact_id是表的主鍵，表示規(guī)則前件的編號(hào)，rule_name表示的是規(guī)則前件所屬的規(guī)則，meta_id表示組成該規(guī)則前件的其中的一個(gè)元事實(shí)，該規(guī)則前件由幾個(gè)元事實(shí)組成，在該表中就有相應(yīng)的幾條記錄，active表示該條數(shù)據(jù)是否被匹配過(guò)，表的設(shè)計(jì)如圖4-3所示：圖4-3規(guī)則庫(kù)中的事實(shí)表=3\*GB3③規(guī)則后件表：rule_con（con_id，rule_name，meta_id，active），con_id是表的主鍵，表示規(guī)則后件的編號(hào)，rule_name表示的是規(guī)則后件所屬的規(guī)則，meta_id表示組成該規(guī)則后件的其中的一個(gè)元事實(shí)，該規(guī)則后件由幾個(gè)元事實(shí)組成，在該表中就有相應(yīng)的幾條記錄，active表示該條數(shù)據(jù)是否被匹配過(guò)，表的設(shè)計(jì)如圖4-4所示：圖4-4規(guī)則庫(kù)中的規(guī)則表（3）澆灌用水量數(shù)據(jù)表用于存放澆灌用水量歷史數(shù)據(jù)，用于完成對(duì)用水量預(yù)測(cè)模型的修正。澆灌用水量數(shù)據(jù)表如圖4-5所示，表中id為表的主鍵，為自增長(zhǎng)字段；consumption為預(yù)測(cè)出的本次需要的澆灌水量；atemp為實(shí)施澆灌時(shí)的空氣溫度數(shù)據(jù)；ahum為實(shí)施澆灌時(shí)的空氣濕度數(shù)據(jù)；orighum為即將要澆灌時(shí)的土壤濕度；expehum為完成澆灌后期望達(dá)到的土壤濕度；finahum為完成澆灌后實(shí)際達(dá)到的最高土壤濕度；time為實(shí)施澆灌的開(kāi)始時(shí)間。圖4-5澆灌用水量數(shù)據(jù)表4.3系統(tǒng)連接與配置系統(tǒng)開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：C#語(yǔ)言系統(tǒng)程序后臺(tái)運(yùn)行環(huán)境：MicrosoftVisualStudio2008數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境：SQLServer2005前臺(tái)程序燒錄環(huán)境：ArduinoIDEPC擴(kuò)展程序運(yùn)行環(huán)境：ProcessingIDE系統(tǒng)硬件：Arduino；空氣溫濕度傳感器；土壤濕度傳感器；繼電器。系統(tǒng)中用到的主要的硬件部分的連接方式展示如下：（1）繼電器與澆灌模塊（以水泵為例）的連接方法：繼電器接數(shù)字5口。潛水泵棕色為正、藍(lán)色為負(fù)。潛水泵藍(lán)色接GND，棕色接繼電器NO。杜邦線紅色一頭線接VIN的“+”，另外一頭接繼電器COM口，具體如圖4-6和圖4-7所示：圖4-6繼電器連接圖圖4-7水泵連接圖（2）溫濕度傳感器的連接方法：溫濕度傳感器接Arduino的數(shù)字12口。黑色線接GND,紅色線接VCC，藍(lán)色線接D12口。具體如圖4-8所示：圖4-8溫濕度傳感器連接圖（3）土壤濕度傳感器的連接方法：土壤濕度傳感器連接模擬口3。紅色線接5V，黑色線接GND，藍(lán)色線連接A3，連接方式如圖4-9所示：圖4-9土壤濕度傳感器連接圖（4）蜂鳴器連接方法：蜂鳴器連接數(shù)字口8。蜂鳴器接線一端連接VCC，一端連接D8，連接方式如圖4-10。4.4系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果4.4.1盆栽信息一覽頁(yè)面用戶通過(guò)本頁(yè)面可觀察系統(tǒng)中所有盆栽當(dāng)前的狀態(tài)，包括當(dāng)前的土壤濕度、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及土壤濕度變化曲線，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，在該頁(yè)面的系統(tǒng)狀態(tài)一欄內(nèi)會(huì)顯示出系統(tǒng)異常。信息瀏覽頁(yè)面如圖4-11所示：圖4-11盆栽信息一覽頁(yè)面頁(yè)面4.4.2植物信息管理頁(yè)面用戶可以對(duì)使用系統(tǒng)的盆栽進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括將不用的盆栽刪除，或者添加新的盆栽信息。具體如圖4-12所示。圖4-12系統(tǒng)盆栽信息庫(kù)擴(kuò)充頁(yè)面4.4.3用戶設(shè)置頁(yè)面截圖由于不同的盆栽有不同的生活習(xí)性，對(duì)水分的需求也不同，因此用戶登錄進(jìn)入系統(tǒng)后要選擇盆栽的名稱，并且需要根據(jù)實(shí)際情況選擇盆栽所在的環(huán)境（室內(nèi)或者室外），在室內(nèi)情況下，系統(tǒng)不需要考慮下雨情況下對(duì)盆栽的澆灌，可按照正常流程對(duì)盆栽進(jìn)行澆灌；若在室外條件，則系統(tǒng)需要結(jié)合天氣預(yù)報(bào)對(duì)盆栽進(jìn)行澆灌，避免對(duì)盆栽的過(guò)量和重復(fù)澆灌，頁(yè)面實(shí)現(xiàn)效果如圖4-13。圖4-13盆栽信息設(shè)置頁(yè)面5結(jié)語(yǔ)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)前人工澆灌已不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的要求，智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，并將成為未來(lái)灌溉的主要工具。通過(guò)對(duì)當(dāng)前智能灌溉系統(tǒng)的研究，在分析和總結(jié)了當(dāng)前智能灌溉系統(tǒng)中存在的問(wèn)題的前提下，本文以對(duì)盆栽的澆灌為背景，通過(guò)引入當(dāng)前流行的傳感器、時(shí)間序列預(yù)測(cè)等技術(shù)，并結(jié)合規(guī)則庫(kù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽的科學(xué)合理和個(gè)性化的澆灌，不僅能夠減少勞動(dòng)力付出，還能節(jié)省大量水資源，并能在很大程度上為盆栽的健康生長(zhǎng)提供保障。通過(guò)這樣的一次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中的親自動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程，我能夠?qū)W到很多平時(shí)在書(shū)本中學(xué)不到的較多的知識(shí)，不僅是增長(zhǎng)了我的見(jiàn)識(shí)，更多的是擴(kuò)充了我的生活閱歷，客觀來(lái)講，主要可以總結(jié)為以下幾個(gè)方面：1、在這樣的一次畢業(yè)設(shè)計(jì)，動(dòng)手操作實(shí)踐的過(guò)程中，我能夠?qū)⑵綍r(shí)在書(shū)本中學(xué)到的理論