修平科技大學 -...

修平科技大學

資訊管理系

物聯網智慧生活應用

組長：BF102071劉冠志 組員：BF102063黃煜翔 BF102080詹凱竣

BF102087廖友禎 BF102109王家佑

指導教師 ：張兆村

中 華 民 國 一 百 零 五 年 十 二 月

II

I

摘要

現代科技的發展十分迅速，而物聯網技術也已逐漸成熟，智慧程

式、倉儲管理、身份辨識，有許多物聯網科技正在我們的日常生活應

用中，為了達到智慧生活為目的而產生的物聯網科技，後續衍生出的

物聯網商機將更為可望。因此，在本次專題的設計主題上，嘗試利用

物聯網課程中所學到的技術與工具，發展一個植物栽培的自動灌溉系

統，以幫助一般家庭園藝者，達到無需人工灌溉的目的。專題中所運

用的物聯網技術與工具包含 Arduino控制板、進水電磁閥、水流量感

知器與土壤濕度感測器、繼電器、XBee通信模組、VB.Net、Access資

料庫、自動灌溉管道及儲水器等部分，來達成自動紀錄澆水數據，無

需擔心是否有人為疏失。在本報告書內，除介紹系統的設計概念外，

亦說明各感測器的工作原理及應用程序，最後將分享本次專題發展過

程中所遇到的一些問題及經驗分享，供有興趣嘗試相同應用者做為參

考。

II

目錄

摘要

................................................ I

目錄

............................................... II

圖目錄

................................................ V

表目錄

.............................................. VII

第一章 前言 ............................................ 1

1-1 研究動機 ........................................ 2

1-2 研究目的 ........................................ 3

1-3 工作分配 ........................................ 4

1-4 工作進度 ........................................ 5

第二章 文獻探討 ........................................ 6

2-1 Arduino簡介 ..................................... 6

2-1-1 Arduino UNO模組 ............................ 6

2-1-2 Arduino的特色 .............................. 8

2-1-3 Arduino的優缺點 ............................ 9

2-1-4 Arduino與 Raspberry PI的比較 .............. 10

III

2-2 Arduino IDE 介紹................................ 12

2-2-1 Arduino IDE安裝版本 ....................... 12

2-3 VB.Net 介紹 .................................... 13

2-4 Access資料庫介紹 ............................... 14

2-5 Arduino控制植栽灌溉的相關研究 .................. 15

2-6 矮種蕃茄介紹 ................................... 17

2-7 觀賞用五彩甜椒介紹 .............................. 18

第三章 系統架構及設計說明.............................. 20

3-1 植物栽培的自動灌溉系統架構及功能 ................ 20

3-2 水流量感知器 ................................... 21

3-3 進水電磁閥 ..................................... 23

3-4 土壤濕度感測器 ................................. 25

3-5 繼電器 ......................................... 26

3-6 XBee通信模組 ................................... 28

第四章 系統架設及實驗說明.............................. 30

4-1 灌溉系統架設說明................................ 30

4-1-1 儲水器設計與組裝 .......................... 30

4-1-2 灌溉管線設計與組裝 ........................ 32

4-1-3 水流控制管線設計與組裝 .................... 34

IV

4-1-4 Arduino UNO開發板 ......................... 35

4-1-5 灌溉系統組裝與功能測試 .................... 36

4-2 Arduino程式設計說明 ............................ 38

4-3 資料庫及資料收集程式設計說明 .................... 39

4-4 植物栽培之觀察說明 .............................. 40

第五章 問題與討論 ..................................... 45

第六章 結論 ........................................... 47

6-1 研究結論 ....................................... 47

6-2 未來發展方向 ................................... 47

參考文獻 ............................................... 49

V

圖目錄

圖 1 Arduino UNO模組 ................................. 6

圖 2 Raspberry PI圖 ................................. 10

圖 3 Arduino IDE官方下載頁面 ........................ 12

圖 4 VB.NET ......................................... 13

圖 5 Access資料庫 ................................... 14

圖 6 基於 arduino的自動澆花系統 ...................... 15

圖 7 監控植物及遠程澆花控制 .......................... 16

圖 8 矮種蕃茄介紹 ................................... 17

圖 9 觀賞用五彩甜椒 ................................. 18

圖 10 系統架構圖 ..................................... 20

圖 11 水流量感知器 ................................... 21

圖 12 進水電磁閥 ..................................... 23

圖 13 土壤濕度感測器 ................................. 25

圖 14 繼電器 ......................................... 26

圖 15 XBee無線通信模組圖 ............................. 28

圖 16 儲水器製作過程 ................................. 30

圖 17 儲水器成品 ..................................... 31

圖 18 儲水器開關測試 ................................. 31

圖 19 塑膠管與水管接頭連接 ............................ 33

VI

圖 20 灌溉管線圖 ..................................... 33

圖 21 灌溉管線滴水測試................................ 33

圖 22 水流控制管線圖 ................................. 34

圖 23 線路連接圖 ..................................... 35

圖 24 水桶固定在鐵架上方 .............................. 36

圖 25 灌溉管線連接 ................................... 36

圖 26 完成圖 ......................................... 37

圖 27 程式執行流程圖 ................................. 38

圖 28 Access資料庫收集到的監控資料 ................... 39

圖 29 XBee通訊流程圖 ................................. 40

圖 30 種子發芽及移植 ................................. 41

圖 31 植物成長狀況(9-10週) ........................... 41

圖 32 植物成長狀況(12週) ............................. 41

圖 33 植物成長狀況(15週) ............................. 42

圖 34 植物成長狀況(17週) ............................. 42

圖 35 植物成長狀況(20週) ............................. 43

圖 36 植物成長狀況(22週) ............................. 43

圖 37 植物成長狀況(24週) ............................. 44

圖 38 植物成長狀況(29週) ............................. 44

VII

表目錄

表 1 工作分配表 ...................................... 4

表 2 時程規劃表 ...................................... 5

表 3 Arduino UNO模組規格表 ........................... 7

表 4 Arduino UNO與 Raspberry PI 3比較表 ............. 10

表 5 水流量感知器元件規格表 .......................... 21

表 6 進水電磁閥元件規格表 ............................ 23

表 7 土壤濕度感測器 ................................. 25

表 8 繼電器元件規格表................................ 26

表 9 XBee無線通信模組元件規格表 ..................... 28

表 10 灌溉管線材料表 ................................. 32

表 11 資料庫表格定義 ................................. 39

1

第一章 前言

隨著科技日益發達，自動化系統越來越普及化，科技已逐漸取代

部分人力，許多大規模需要人力的工作若是用機器來執行能夠更有效

率且不易產生疏失，例如：機械手臂、自動收銀機、自助點餐機…等

，但如何利用較低成本的方式來取代人力又是另外一門學問，我們認

為可以將科技與農業做結合，利用物聯網來實現植物自動灌溉功能，

判斷植物當前狀況並給予相對應之處理方式，讓人們不必花費太多的

心力照顧植物也能使其成功生長。

2

1-1 研究動機

目前全球面臨少子化現象，且因經濟狀況仍為低迷，導致許多人

不願意生育，使得少子化現象更為嚴重，而少子化帶來的危機為人力

資源的減少，勞動人口一旦不足，可能迫使企業外遷至勞動力較高之

國家，使國內工作機會減少，而都市的生活機能發達且工作機會通常

多於鄉村，又因教育普及與現代人的觀念，使得鄉下的年輕人紛紛往

大都市發展，留在鄉村內務農的人越來越少，以致於糧食生產量減少

，需要仰賴進口來解決糧食不足的問題。

現代人的生活已逐漸走向環境保護、智慧家庭和健康生活為目標

，並有許多家庭會在自家陽台或庭園種植有機蔬食讓自己吃得安心、

健康又能減少部分開銷，但現代人工作繁忙、生活節奏較為快速，以

致於沒有太多的時間能夠照顧自己種植的蔬果或香料，許多植物都是

放在家裡的陽台後使其自行成長，而因疏於照護，植物通常無法順利

生長、開花結果，導致時間、金錢與空間的浪費。

3

1-2 研究目的

農業人力短缺之情形，是在所有產業裡面最嚴重的，目前已有

許多國家採用以機械取代人力，用機械管理農場，朝向無人農場的

目標發展，以改善農業人力短缺之情形，但這種以機器進行耕作的

方式，通常因成本問題，只有大型耕地或農場有辦法執行，一般家

庭無法使用這種方式種植蔬果，因此我們將植物的自動灌溉作為我

們的目標，利用 Arduino價格與開發難易度的特色，進行植物自動

灌溉系統的開發，在專題我們使用了水流傳感器和土壤濕度感知器

來偵測澆水量、植物所需水量與土壤狀況，土壤濕度感知器能夠偵

測土壤溼度並判斷是否需要澆水，利用進水電磁閥，可以控制水源

，並在土壤濕度不足時進行放水，來達到植物自動照護的功能，即

使不需要人力長時間照護，植物也能自行順利的成長，更能減少水

資源、時間與金錢的浪費，且此專題所需成本與技術門檻並不高，

使一般家庭園藝也能使用。

4

1-3 工作分配

專題製作的個人負責工作分配表，如表 1所示。

表 1 工作分配表

負責工作 負責人員

蒐集資料 黃煜翔、劉冠志、廖友禎、王家佑

硬體設計 黃煜翔、劉冠志、詹凱竣、王家佑

儲水器組裝 黃煜翔、劉冠志、詹凱竣、王家佑

水分控制管線組裝 黃煜翔、劉冠志、詹凱竣、王家佑

灌溉管線組裝 黃煜翔、劉冠志、詹凱竣、王家佑

資料庫設計 黃煜翔、劉冠志

安裝開發環境 劉冠志、廖友禎

資料彙整 黃煜翔、王家佑

Arduino程式開發 詹凱竣、廖友禎

書面報告設計 劉冠志、詹凱竣、廖友禎

書面報告製作

黃煜翔、劉冠志、詹凱竣、廖友禎、

王家佑

簡報製作 劉冠志、廖友禎

植物狀態觀察與照護 劉冠志、王家佑

5

1-4 工作進度

下表 2為專題製作之時程規劃表。

表 2 時程規劃表

6

第二章 文獻探討

2-1 Arduino 簡介

2-1-1 Arduino UNO模組

圖 1 Arduino UNO模組

UNO 為較適合剛接觸 Arduino[1]的初學者作為開發板，內含 14

個數位 I/O 接腳、6 個類比輸入腳和其他連接埠，還可為各種埠自

訂名稱，能夠讓使用者能更快速的上手。

Arduino Uno模組所提供電源輸入供有三個通道，USB連接埠、電源

輸入插座和 Vin腳位三種，我們選擇採用電源輸入插座來供電，並且

使用 D2控制水流量感測，D7控制水流磁控開關，A0控制濕度感測。

7

表 3Arduino UNO模組規格表

Arduino和 Android相同於兩者都是開放原始碼的軟硬體平台。

不同於 Arduino的 I/O介面簡單好用，並具可使用於 Java、C語言等

開發環境的特性。

元件規格

微控制器 ATmega328

工作電壓 5V

建議輸入電壓 7-12V

限制輸入電壓 6-20V

數位 I/O腳位 14 支(其中有 6 支腳位可提供 PWM 輸出)

類比輸入腳位 6 支

I/O腳位直流電流 40mA

3.3V腳位直流電流 50mA

Flash 記憶體 32KB, 其中 0.5KB 拿去給 bootloader使用

SRAM 2KB

EEPROM 1KB

時脈 16MHz

8

Arduino是種開放授權的互動環境開發技術，冷氣的溫度控制、

汽車的倒車雷達，互動裝置存在於生活中的各處，能夠讓生活增加安

全性又便利，能夠帶給使用者既愉快又方便的生活環境。

以往需要電子設備時，需透過工程師逐漸拼湊出電路。多數的設

計工具都是為了工程師設計。但微處理器有了全新的進步，在使用上

變得更簡單易懂，價格上也減少了學習的門檻。

2-1-2 Arduino的特色

開放源碼(open-source)。且軟體的開發環境也可以在網上免費

下載，而 Arduino 的電路設計圖也能夠在官方網站自行下載，並依

照開發者需求進行修改，但修改後須要符合創用 CC授權條款(創用 CC

授權條款)。

Arduino 學習門檻較為簡單，不需要電子相關背景，也能夠簡單

學會 Arduino的互動裝置開發。由於 Arduino 是以公開共享為基礎

，多數人樂於分享自己的作品，網路上能找的創作案例非常豐富。以

此為基礎，只要參考其他分享者的作品，再依據自身需求來調整，就

可以在短時間內完成自己的創作。

Arduino 可分為三大類，分別為 Arduino 硬體、Arduino 軟體及

Arduino擴充原件。硬體可購買成品或是依網路下載的電路圖自行組

9

裝，初學者建議購買現成的，根據 Arduino官方網站所說，台灣具有

官方合法授權的代理商為藝科資訊 Aroboto Studio、PlayRobot飆

機器人/普特企業有限公司、iCshop (台灣)電子零件，電子材料有供

販售。目前官方網站提供了許多不同的開發板供開發者購買。

2-1-3 Arduino的優缺點

優點:價格低廉、電路簡單、體積小、方便攜帶、傳感器多、程式設計

簡單，學習門檻較為簡單，甚至可 DIY出自己的 Arduino開發板。

缺點:Arduino只能設計較簡單之程式，且一次只可運行一個程序。

以上可知 Arduino為一種簡單、輕便、易上手，適合初學者的開

發板，適用於下位機，負責蒐集狀態數據，如溫度、濕度等，與將數

據傳送回伺服器，若要執行多工任務時通常會交給同樣身為開發板卻

能多工處理的樹莓派來執行。

10

2-1-4 Arduino與 Raspberry PI的比較

Raspberry PI[2]又稱樹莓派，由 Linux作為基礎，以低價和自

由軟體為目的來促進電腦科學基本教育，和 Arduino、Intel Edison

、Linkit one、Intel Galileo、Ameba一樣是目前市面上較多人使用

的開發板，但若對 Linux的操作不熟悉將會讓 Raspberry PI的操作

難度一併上升。

圖 2 Raspberry PI圖

表 4 Arduino UNO與 Raspberry PI 3比較表

開發板比較 Arduino UNO Raspberry PI 3

價格 NT$619 NT$1,514

程式語言 Java、C/C++語言[3] 多種語言(15種)

傳感器應用 隨插即用 需安裝驅動程式

11

是否支援多工 無 有

開發板電路 較簡單可 DIY 較複雜

記憶體容量 32KB 1GB

啟動速度 較快速 較緩慢

電路圖設計 可免費下載並修改 無法更動

電源輸入 USB介面與 DC輸入 需穩壓

接頭 USB USB、LAN、HDMI

操作系統 無 Linux

適合開發者 初階使用者 中高階使用者

12

2-2Arduino IDE 介紹

2-2-1Arduino IDE安裝版本

Arduino IDE為 Arduino的開發環境，目前版本為 Arduino1.6.13

可於官方網站上免費下載，使用的程式語言為 C/C++，操作簡單且直

覺，若具有寫程式經驗可輕易上手。

圖 3 Arduino IDE官方下載頁面

13

2-3VB.Net(2008)介紹

圖 4 VB.NET

VB.NET[4]為 Visual Basic.NET 的縮寫，VB.NET 主要用來指

BV6.0以後的版本，VB.NET與 VB6版本的程式邏輯無法銜接讓許多元

件程式無法轉換，導致目前還是有許多 VB6的使用者，而將 VB6升級

到 VB.NET 是為了讓開發者不管使用哪種程式語言都可在不同平台上

開發與轉移，並擁有一套 Visual Studio的開發工具，Visual Studio

為以 XML 為基礎的跨語言程式開發工具，並支援多語言 VB、

C/C++SmallTalk，讓需要接觸多種平台的開發者省了許多麻煩。

14

2-4Access 資料庫介紹(.mdb)

圖 5 Access資料庫

Access[5]為 Microsoft 的資料庫管理軟體，主要是為了管理資

料庫而設計的電腦軟體系統，具有儲存、擷取、備份、資料處理功能

，用以簡易於協助企業營運的管理工具，而資料庫又可分多種類型，

網狀式、階層式、關聯式與物件導向式，而 Access 屬於的是關聯式

資料庫管理系統，而 Access 相較於其他資料庫管理系統操作難度較

低，初學者入門較容易，但若是已熟悉資料庫管理的使用者，若使用

My SQL執行速率將會高於 Access資料庫。

15

2-5Arduino 控制植栽灌溉的相關研究

圖 6 基於 arduino的自動澆花系統

圖 6 顯示一種使用 arduino 做為自動澆花系統[7]，該系統是採

用每三小時偵測一次濕度的方式進行澆水控制，澆水管路是以一條水

管連接至植物頂部並由滴灌方式進行，水分由植物上方澆灌，土壤與

大氣濕度值會顯示在 LCD顯示器上，澆灌水量直接由濕度值決定是否

繼續，其中水管的開關由電磁閥控制，電力採市電變壓後 12V供給。

此系統的滴灌方式容易造成水分灌溉不均勻、水量不易適當控制、及

無法遠距離自動蒐集土壤濕度數據等問題。

16

圖 7 監控植物及遠程澆水控制

圖 7 顯示一種使用 arduino 結合 Fliwer 的一種監控植物及遠程

澆水控制應用[8]。Fliwer是一款針對植物而研發出來的設備，可以

監控土壤水分、光照、溫度、空氣濕度和肥料是否充足這些指標。結

合雲端的植物數據和天氣預報，它能夠自動決定什麼時候給植物澆水

，甚至提醒你什麼時候應該施肥、修剪、觀摩開花期和收穫果實。此

系統同樣採用滴灌方式進行灌溉，亦無水量控制設計，故仍存在水分

灌溉不均勻及水量適當控制等實用性的設計問題。

17

2-6 矮種蕃茄介紹

圖 8 矮種蕃茄介紹

蕃茄屬於茄科蕃茄屬，別名：柑仔蜜、臭柿仔、西紅柿、番柿，

原 產 於 南 美 洲 安 第 斯 山 的 山 區 和 峽 谷 地 帶 ， 學 名 ：

Lycopersinesculentum Mill，英名：Tomato，為 1~2 年生植物，蕃

茄原產於乾燥冷涼地區，對濕熱的忍耐度較弱，生長的溫度以日溫為

21-26℃，夜溫 15-20℃為最適合，若開花時溫度低於 10℃ 或是平

均日溫高於 35℃ 及夜溫高於 25℃ 時，結果率會降低，植株營養吸

收會不良，所以最適合栽培蕃茄的溫度約在 18-26℃ 左右。主要採

秋冬栽培(約十一月到翌年四月間)，全日照，光線不足時植株易徒長

，莖部會變得細長軟，導致瘦弱死掉。土壤則須選擇排水良好的土壤

為宜，蕃茄雖較耐乾燥，但過於乾燥則容易引發底腐病，過濕則又容

18

易得青枯病，所以排水良好的土壤較容易做好水分的管理，播種後約

7~10 天以上發芽，大概在發芽後的 5~7 個禮拜，樹苗有 4-5 片葉子

之後便可以定植，由於蕃茄的側芽生長的速度既快且多，所以需要定

期的去摘側芽，避免養分被過多的側芽吸走，才能讓果實吸收足夠養

分。

2-6 觀賞用五彩甜椒介紹

圖 9 觀賞用五彩甜椒

甜椒屬於茄科番椒屬，其原產地為中美洲、南美洲熱帶地區，其

中具辛辣味者稱之為辣椒 hotpepper，而不具辛辣味者稱之為甜椒

sweet pepper 統稱為番椒 pepper，學名為：Capsicum annuum L.。

適溫範圍 18~30℃、20~26℃，最高溫為 35℃，最低溫 10℃，需要大

19

量日照，至少六小時。台灣各區播種適宜時期略有差異，中北部春播

(2-4月)或秋播(8-10月)均可，番椒不適合直接播種在室外土裡，因

為長得很慢，一下子就被雜草給把養分都吸收掉了，所以要先單一盆

育苗，再移植，番椒的根系並不深，土壤需排水良好，所以需要把種

子放入 5~10公分(大約中指的長度)深的土裡，播種後約 7~10天以上

發芽，大概在發芽後的 6~8個禮拜，樹苗有 5-6片葉子之後才適合定

值在室外泥土裡或是大型盆栽與其他蔬果生存。定植後到開第一朵花

之前都不用特別處理，但是隨著時間成長，植株會分開成兩個或三個

分枝，每個分支之後又會再分成兩枝，一直往上長。在第一個分叉處

，會開出第一個小白花，需要把它摘掉，這樣讓植株才會大棵，因為

它有更多時間先變強壯，再進入繁殖期，這樣才不會浪費營養在長葉

子，而搶走果實所需的養分，甜椒開花後多數為自花授粉受精，果實

發育是自受精後種子形成。

20

第三章 元件介紹

3-1 植物栽培的自動灌溉系統架構及功能

圖 10 系統架構圖

將電源開啟後 Arduino控制板將讀取土壤濕度感測器數值，若感

測器回傳的土壤濕度不足，則 Arduino控制板將通知繼電器供電於進

水電磁閥將閥芯吸開，讓水流經過水流量感測器，用於感測水流量計

算並將澆水量回傳給 Arduino 控制板，並使用 XBee 將收到的澆水量

與澆水時間回傳於與個人電腦相連接的 Arduino 控制板，來傳輸到

mdb資料庫的，方便我們統整運作資料。

21

3-2 水流量感知器

圖 11 水流量感知器

表 5水流量感知器元件規格表

元件規格

外管螺紋 4分管外螺紋 ( G1/2 )

最低額定工作電壓 DC 5V

工作電壓範圍 DC 5 ~ 18 V

流量範圍 1 ~ 30 L /min

最大工作電流 15 mA（DC 5V）

負載能力 ≤10 mA（DC 5V）

使用溫度範圍 0°C ~ 120°C

使用濕度範圍 35% ~ 90%RH（無結霜狀態）

22

允許耐壓 水壓 1.75Mpa以下

保存溫度 -25 ~ 80℃

保存濕度 25% ~ 95%RH

水流量感知器主要由塑料閥體、水流轉子組件和霍爾傳感器組成

。當水流通過水流轉子組件時，磁性轉子將會轉動並隨著流量變化轉

速也跟著變化，霍爾傳感器將會輸出相應脈衝信號，將反饋送達控制

器，並由控制器判斷水流量大小，進行調控。

在此專題中我們主要用來測量水流量，用來管理出水量是否有到

達所需水量，若以達到程式所設定的數值時，將會發送信號命令

Arduino板停止供水，以確保固定時間內不會供給過多的水量，導致

植物死亡。

23

3-3 進水電磁閥

圖 12 進水電磁閥

表 6 進水電磁閥元件規格表

元件規格

電壓 DC12V、DC24V、AC220V

水壓控制

微壓閥(有壓)和無壓閥(無壓)

有壓閥適用於 0.02~0.8水壓

無壓閥適用於 0~0.15水壓

額定功率 5W

使用流體 0~100°C水

進水電磁閥由閥芯、線圈、金屬過濾網、閥底、彈簧等組成，當

電磁閥通電後，線圈產生磁力，將閥芯吸開，水即可通過，反之，斷

24

電後，磁力消失，閥芯依靠彈簧閉合。我們使用的電磁閥主要為常閉

式進水電磁閥。

在此專題，我們使用的進水電磁閥為當 Arduino接收到土壤濕度

不足需供水的訊息時，會給繼電器開啟信號，使其供電給進水電磁閥

，讓進水電磁閥的線圈產生磁力以吸開閥芯，水流方能通過，並依據

水流量感知器與土壤濕度的回傳數值判斷是否關閉電磁閥。

25

3-4 土壤濕度感測器

圖 13 土壤濕度感測器

表 7 土壤濕度感測器

元件規格

電壓 3.3V 或 5V

工作電流 小於 20mA

輸出電壓

0-2.3V[依照濕度來影響電壓、2.3V 為浸泡於水

中]

感測器類型 類比輸出

輸出電壓 3/4.5/6/7/9/12V

介面定義 S腳：開關信號輸出、＋腳：正極、－腳：負極

26

用於感測菜園、花園與家庭花盆土壤的濕度，並且通過信號將土

壤濕度值回傳伺服器。

在此專題中，主要用來查看土壤溼度，若濕度到達程式所指定濕

度，將會回傳信號至 Arduino板後控制繼電器來關閉進水電池閥停止

放水，反之開始放水。

3-5 繼電器

圖 14 繼電器

表 8繼電器元件規格表

元件規格

型號 SRD-05VDC-SL-C

27

交流電源 10A/250V與 125V

直流電源 10A/30V與 28V

繼電器(Relay)，為一種電子控制元件，具有輸入和輸出迴路系

統，通常應用於自動控制電路中，作用為使用較小的電流去控制較大

電流的一種「自動開關」。常於電路中用於安全保護、自動調節、電

路轉換等作用。

在此專題我們利用此元件進行電源控制，若是土壤濕度感測器感

測到的濕度不足時，會由 Arduino板給予繼電器信號後繼電器將給予

進水電磁閥所需之電力，反之，若是 Arduino接收到的訊息是土壤濕

水流即無法通過。

28

3-6 XBee無線通信模組

圖 15 XBee無線通信模組

表 9 XBee無線通信模組元件規格表

元件規格

工作電壓 2.8 ~ 3.4V

針腳數量

共 20個針腳，9個數位 I/O 及 5個類比/數位

輸入腳

室內傳輸距離 30公尺

室外傳輸距離

(無遮蔽物)

100公尺

無限工作頻率 2.4GHz

無線傳輸資料速率 250Kbps

29

XBee[6]是 Digi International公司製造的低耗能、低成本、具

備資料採集功能的無線通信模組，XBee也依照天線的種類，分為線型

天線、晶片型天線、RCB 印刷型天線等等，並且它也支援 802.15.4(

點對點網路通訊協定)或者 ZigBee Mesh Network(網狀網路)協定。

此專題中，我們將 XBee 用於將進水電磁閥的狀態與土壤濕度感

測器所感測到的資料傳輸到電腦中的 Access 資料庫中，讓使用者知

道系統灌溉之時間。

30

第四章 系統架設及實驗說明

4-1 灌溉系統架設說明

本章節將詳細介紹灌溉系統之架構與植物生長狀況。

4-1-1 儲水器設計與組裝

儲水器的設計是以一空桶與水龍頭、水管做連接，將空桶下方切

一開口，將水龍頭的一側放入空桶中，再以矽利康將其連接處黏著、

固定，接著將水龍頭出水口與水管接頭、水管做連接，再以鐵絲、木

棍固定，使水龍頭與水管呈直角，最後用矽利康將其加以固定，結果

如圖 16。

圖 16儲水器製作過程

31

放置一段時間使矽力康凝固後，將水桶放置於高處並將開關開啟

以實驗水龍頭與矽力康的是否完全密合，查驗是否有漏洞導致漏水問

題，若有漏水問題則確認漏水點，將其擦乾並用矽力康填補。

圖 17 儲水器成品 圖 18 儲水器開關測試

32

4-1-2 灌溉管線設計與組裝

灌溉管線的設計是以一「目」字管線設計方式，用塑膠管連接

成一個目字形，接著在管線的上、下方開孔，讓灌溉用水能夠均勻

地灑在植物周圍的土壤中，使其能夠吸收水分，此管線所需材料如

下表 10所示。

表 10 灌溉管線材料表

材料名稱 材料用途

塑膠管 作為主要流通管線。

水管接頭 連接其他管線。

止瀉帶 防止管線漏水。

矽利康(silicone) 黏著、固定管線。

灌溉管線的組裝方式為先裁切長度適中之塑膠管，接著在水管接

頭的雙邊出口纏繞止瀉帶用以防止漏水，且可使水管接頭與塑膠管的

連接更加穩固，將塑膠管與水管接頭連接後，再用矽利康將連接點加

以固定，最後在塑膠管上、下方開孔，下方開孔使其能夠流通、灌溉

，而在塑膠管上方開孔是用於使空氣流通，若是管線內無空氣，則水

無法順利流出。

33

圖 19 塑膠管與水管接頭連接

圖 20 灌溉管線圖

圖 21 灌溉管線滴水測試

34

4-1-3 水流控制管線設計與組裝

水流控制管線的設計是以一水管作為主要流通管道，連結上方儲

水器與下方灌溉管線，且在此水管的中間分別加上 Arduino UNO開發

板、進水電磁閥、水流量傳感器與土壤溫濕度感測器，用以控制水源

開關、偵測通過管線之水流量及接收土壤資訊。

圖 22 水流控制管線圖

35

4-1-4Arduino UNO 開發板

Arduino UNO開發板的電力來源是以一般供電插座，連接六段

整流電源轉接器調整其輸入電壓至 12伏特，Arduino UNO開發板上

的 5V與 GND腳位分別連接到正負極面包板上，提供其他感測器所需

之工作電壓，類比輸入腳位 A0連接土壤溫濕度感測器，蒐集土壤資

訊，數位輸入腳位 D2則是連接水流量傳感器，偵測水是否流通，並

收集水流資訊，確認已流過水流量，而數位輸入腳位 D7則是連接繼

電器與進水電磁閥，若是土壤溫濕度感測器偵測到土壤濕度不足時

，會透過繼電器控制進水電磁閥的開關，進而達到放水與停止供水

的效果，開發板之詳細配置如下圖 23。

圖 23 線路連接圖

36

4-1-5 灌溉系統組裝與功能測試

將儲水器固定在鐵架上方，與水流控制管線連接在一起，並讓水

流控制管線後端垂直向下，使水流量感知器能夠精準計算圈數。

將盆栽放置鐵架下方，灌溉管線放置於盆栽內，再與水流控制管

線連接，當水流到達灌溉管線後，水會透過洞口漏出以達到澆水的功

能。

圖 24 水桶固定在鐵架上方 圖 25 灌溉管線連接

37

圖 26 完成圖

38

4-2Arduino 程式設計說明

圖 27 程式執行流程圖

39

4-3 資料庫及資料收集程式設計說明

圖 28 Access資料庫收集到的監控資料

表 11 資料庫表格定義

意義 名稱 資料型態 說明

識別碼 ID integer 資料的編號

水閘狀態 status integer

水閘開關狀態

0=關閉、1=開啟

日期 date datetime 資料傳回日期

時間 time datetime 資料傳回時間

土壤濕度值 humi integer 土壤濕度資料

40

我們將 Access資料庫用於收集、彙整本專題之資料，透過 Xbee

通訊模組，將自動灌溉系統的資料傳送到個人電腦中，並使用 VB.Net

所撰寫之資料傳輸介面，設定連接 COM Port、Baud Rate，將資料寫

入 Access資料庫中。

4-4 植物栽培之觀察說明

本節描述專題過程中，植物栽培的完整紀錄過程。本次實驗是從

種子播種培養開始，種子約二個星期後發芽，等發芽後並移植至大盆

栽，如圖 30所示。植物經過 9-10週的培養，彩椒及番茄分別成長為

10及 15公分，如圖 31所示。

圖 29 XBee通訊流程圖

41

圖 30種子發芽及移植

圖 31植物成長狀況(9-10週)

植物成長到 12 週時，將植物移至光線充足的場所，以增加日照

的時間，因為它們皆屬於常日照植物，如圖 32 所示。植物有了充足

的日照，成長明顯加快，彩椒在 15週時已開始開花，如圖 33所示。

圖 32植物成長狀況(12週)

42

圖 33植物成長狀況(15週)

植物種植歷經 17 週時，因專題所發展的自動灌溉系統已完成，

為了連接固定電源，再次移動植物位置到四樓陽台，並安裝鐵立式架

及灌溉管線、控制板、感測器、水桶及電磁閥等控制組件，如圖 34所

示。甜椒於第 20 週第二次開花，如圖 35 所示，我們並於 20 週幫甜

椒進行人工授粉作業。

圖 34植物成長狀況(17週)

43

圖 35植物成長狀況(20週)

蕃茄在第 20週以後開始快速生長，到 22週時甜椒已開始有花苞

，如圖 36 所示。又隔 2 週後，蕃茄開始開花，我們亦進行人工授粉

作業，如圖 37所示。植物成長到第 29週，蕃茄已結實累累且甜椒結

出三顆果實，如圖 38所示。

圖 36植物成長狀況(22週)

44

圖 37植物成長狀況(24週)

圖 38植物成長狀況(29週)

45

第五章 問題與討論

此問題討論為在製作自動灌溉系統的過程中，遇到的問題及解決

的方法。

問題一：灌溉水經由水流控制管線到達灌溉管線，但水流量感知器無

法正確計算通過之灌溉水流量，導致灌溉水量過多，如何解決？

解決方法：此現象是因水流量感知器之葉輪無法正常轉動，導致程式

無法得知實際通過管線之水流量，只要將水流量感知器的進出水口呈

垂直狀，讓水流由上往下，葉輪即可正確的計算葉輪轉動之圈數。

問題二：天氣不佳下雨可能導致元件受潮造成設備損毀，如何解決？

解決方法：運用紙箱在元件上方蓋住，防止設備進水造成損壞。

問題三：在製作水流量感知器與進水電磁閥時，我們選擇使用 Arduino

程式來製作，由於之前在課堂上沒有學過利用 Arduino IDE進行程式

開發，所以在製作上遇到了些瓶頸，如何解決？

解決方法：指導老師在空閒時間教導我們 Arduino的相關設計方法，

並上網自行學習，再與組員和指導老師互相討論後將程式完成。

問題四：考量到耗電量問題，Arduino程式執行後，如每秒每分偵測

46

濕度，電量損耗太高，如何解決？

解決方法：濕度並不會在極短的時間快速改變，因此我們在程式開頭

新增了一段數秒計時，每當達到 600秒時，就會偵測一次土壤濕度，

利用此方式，耗電量的問題就可以改善。

問題五：Arduino 控制板與部分電子元件是怕水的元件，在室外使用

可能會因雨水而導致元件受損，如何解決？

解決方法：將 Arduino控制板外加裝 Arduino UNO ABS 工控專用機

殼，在進其他電子元件上方用外殼或塑膠布蓋住，以防止元件因雨水

而損毀。

47

第六章 結論

6-1 研究結論

本專題已實現簡單且低成本之物聯網技術應用植物自動灌溉系

統，一般家庭種植皆可應用，不需要花費過多的時間與金錢即可自動

灌溉。在專題實作中，難免會遇到問題，如何解決問題正是小組在製

作專題實之重點，我們小組在每週的小組會議中，都會提出現今面臨

到的問題，透過與指導老師、組員討論，進而得出解決問題之方法，

這些都使我們向實現專題目標更邁進一步。

在物聯網智慧生活的應用討論中，我們探討出如今務農業者越來

越少，導致農業人力不足，且青年人口務農意願低落，需以科技來彌

補這個缺口，讓農業能夠更加順利發展，以提升務農業者的生活品質

及農產品質。

6-2 未來發展方向

本專題目前已可實現濕度偵測與自動灌溉功能，在未來可以增加

幾項功能，使植物自動照護系統更加完善。

（1）營養劑管線：

本專題設計目前僅有水分灌溉管線，若是以相同之管線設計方式，

增加一條專門灌溉植物用營養液之管線，並定時施放適宜用量，能夠

使植物生長更加成功。

48

（2）提醒使用者蓄水槽之水量：

未來夏季的溫度恐會越來越高，水氣蒸發的速度會增加，可能導致

灌溉次數增加，若是疏忽儲水器內灌溉水剩餘量，恐導致灌溉水量不

足，無法達成自動灌溉功能，因此可以增加水位感測器元件，偵測當

前儲水器內剩餘水量，透過 XBee 將資訊傳回資料庫，則使用者能夠

得知當前儲水器狀況，判斷是否加水。

49

參考文獻

[1]Arduino官方網站, https://www.arduino.cc

[2]Raspberry Pi官方網站, https://www.raspberrypi.org

[3]維基百科:C++, https://zh.wikipedia.org/wiki/C%2B%2B

[4]維基百科:Visual Basic .NET, https://zh.wikipedia.

org/wiki/Visual_Basic_.NET

[5]Microsoft Access - Microsoft Office, https://products

.office.com/zh-tw/access

[6]XBee模組通訊實驗:認識 XBee, http://swf.com.tw/?p=770

[7] 基於 arduino的自動澆花系統, https://read01.com/KoD07

.html

[8] 監控植物及遠程澆水控制, http://www.hksilicon.com/

\articles/273962

資

訊

管

理

系

修

平

科

技

大

學

專

題

實

務

報

告

黃煜翔

廖友禎

劉冠志

詹凱竣

王家佑

指導老師

張兆村

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