摘 要 ：為了解決人們因生活和工作繁忙而無法按時(shí)澆灌室內(nèi)盆栽的問題，提出一種室內(nèi)盆栽智能澆灌系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)分別從軟硬件兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以 STM32 單片機(jī)為主控核心，利用傳感器模塊檢測(cè)土壤濕度和環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)后顯示在 LCD 顯示屏上，當(dāng)土壤濕度小于臨界值時(shí)，單片機(jī)控制自動(dòng)澆灌。同時(shí)將傳感器數(shù)據(jù)通過 WiFi 傳輸至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、存儲(chǔ)與分析 ；用戶在手機(jī) APP 內(nèi)可以隨時(shí)隨地對(duì)植物盆栽進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵遠(yuǎn)程澆灌。該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)，可為人們生活提供很大的便利，具有一定應(yīng)用前景。

0 引 言

在室內(nèi)擺放植物盆栽可以起到美化裝飾環(huán)境、凈化空氣的作用，但當(dāng)人們長時(shí)間不在室內(nèi)或疏于管理時(shí)，植物會(huì)因缺水甚至干枯死亡，因此設(shè)計(jì)一種用于室內(nèi)盆栽的智能澆灌系統(tǒng)，具有重要的實(shí)際意義。目前，國內(nèi)的室內(nèi)智能澆花系統(tǒng)主要基于 51 單片機(jī)控制，能夠依據(jù)植物土壤濕度情況而控制水泵開啟或關(guān)閉，并通過 LCD 顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) [1-4]。還有相關(guān)研究提出在系統(tǒng)中增加溫濕度傳感器DHT11 和 WiFi 模塊，系統(tǒng)采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機(jī)，通過 WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī) APP 的通信，用戶通過手機(jī) APP 可以查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制指令，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制 [5]。

基于此，本文提出一種新型室內(nèi)盆栽智能澆灌系統(tǒng)，首先對(duì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，然后結(jié)合系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面介紹系統(tǒng)的功能。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

如圖 1 所示，系統(tǒng)采用 STM32 單片機(jī)作為微控制器，太陽能模塊為系統(tǒng)提供電源。傳感器組包括 YL-69 土壤濕度傳感器和 DHT11 環(huán)境溫濕度傳感器，傳感器電源控制模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)傳感器組供電時(shí)間的控制，定時(shí)采集數(shù)據(jù)，采集頻率可調(diào)，節(jié)約能源。傳感器采集數(shù)據(jù)后在 LCD液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示，并通過 WiFi 模塊發(fā)送給云平臺(tái)，云平臺(tái)與手機(jī) APP 交互，APP 里可以顯示傳感器數(shù)據(jù)并控制澆灌。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體公司的 STM32F103VET6 芯片作為微控制器，芯片可以工作在 -40 ～ 105 ℃的溫度范圍，且支持低功耗模式，最高工作頻率可達(dá)到 72 MHz[6]。該芯片具備模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，可以直接讀取土壤濕度傳感器輸出的模擬量數(shù)據(jù)，同時(shí)芯片的 USART 接口可以直接與 WiFi 模塊連接 [7]。

2.2 WiFi 傳輸模塊

WiFi 模塊采用 USR-C322 芯片，它是濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)推出的一款 C32 系列高性能 WiFi 模塊。該模塊基于 ARMCortex-M4 內(nèi)核，運(yùn)行頻率為 80 MHz，支持 WiFi @2.4 GHz802.11 b/g/n 無線標(biāo)準(zhǔn) [8]。本系統(tǒng)中設(shè)置模塊組網(wǎng)方式為STA 模式。通過 AT 指令，能夠?qū)?USR-C322 進(jìn)行工作模式、網(wǎng)絡(luò)端口、傳輸協(xié)議等方面的配置。模塊由 3.3 V 電源供電，UART 引腳連接 STM32 單片機(jī)，外圍電路主要包括供電電路、按鍵重啟電路、按鍵復(fù)位電路和 LED 工作指示燈電路。

2.3 按鍵模塊

按鍵模塊設(shè)置有啟動(dòng)按鍵、模式設(shè)置按鍵和增減按鍵，其中模式設(shè)置按鍵可以選擇設(shè)定土壤濕度閾值模式，按鍵按下一次設(shè)定上限值，按鍵連續(xù)按下兩次設(shè)定下限值，增減按鍵可以分別對(duì)設(shè)定值進(jìn)行增 1 或減 1 的設(shè)置 [9]。當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤濕度小于下限值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器，驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌，當(dāng)土壤濕度大于上限值則停止?jié)补唷?/p>

2.4 傳感器電源控制模塊

STM32 單片機(jī)通過傳感器電源控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器組電源供電時(shí)間的控制，如圖 2 所示，電路由三極管 2N3904、MOS 管 AO3401、分壓電阻、二極管等部分組成。VIN 為太陽能模塊輸出電壓，VCC 連接傳感器電源引腳，單片機(jī)引腳 PD12 經(jīng)限流電阻連接 2N3904 的基極，VIN 連接 AO3401的源極。當(dāng)單片機(jī)引腳輸出高電平時(shí)，三極管 Q2 導(dǎo)通，AO3401 的柵極相當(dāng)于接地，此時(shí) MOS 管導(dǎo)通，將電壓 VIN連接到 VCC 端，向傳感器組供電。根據(jù)四季氣候和植物種類不同，單片機(jī)可以調(diào)整傳感器組模塊供電時(shí)間，改變傳感器數(shù)據(jù)采集頻率，從而控制澆灌頻率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、云平臺(tái)設(shè)計(jì)和手機(jī) APP 設(shè)計(jì)。單片機(jī)程序需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能 ：一是定時(shí)開啟傳感器電源，采集傳感器數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)解析，判斷是否需要澆水，從而控制繼電器動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行自動(dòng)澆灌主流程功能 ；二是通過 WiFi 模塊與云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的功能。系統(tǒng)主流程如圖 3 所示。

傳感器數(shù)據(jù)通過 WiFi 模塊上傳到云平臺(tái)，云平臺(tái)設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)過濾和數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)的功能。目前市場(chǎng)上有很多物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可供使用，例如阿里云平臺(tái)、中國移動(dòng) OneNET 物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)等 [10]。系統(tǒng)選用阿里云平臺(tái)建立數(shù)據(jù)中心。手機(jī) APP 采用 Android Studio 平臺(tái)開發(fā)，包括 APP 程序設(shè)計(jì)和 APP 界面設(shè)計(jì)。APP 發(fā)送控制指令到云平臺(tái)，再通過 WiFi 模塊發(fā)送指令到微控制器，在 APP 界面可以看到指令發(fā)送成功或失敗的結(jié)果反饋，也可以顯示當(dāng)前傳感器的數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)盆栽智能澆灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用太陽能供電，低碳環(huán)保 ；并且根據(jù)四季氣候和植物種類不同，可以調(diào)整澆灌頻率。用戶通過手機(jī) APP 可以隨時(shí)隨地對(duì)植物盆栽進(jìn)行監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制澆灌，即使出門在外也可以享受澆花樂趣。系統(tǒng)目前設(shè)計(jì)適用于家庭室內(nèi)盆栽的智能管理，亦可用于農(nóng)業(yè)和園林業(yè)，例如大棚農(nóng)作物的智能澆灌、溫室景觀植物的智能澆灌等，能適應(yīng)多種模式的應(yīng)用場(chǎng)景，具備一定的拓展性，發(fā)展前景良好。

審核編輯 ：李倩