室內(nèi)盆栽智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺析

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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)控制自動澆灌。同時(shí)將傳感器數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸至云平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互、存儲與分析；用戶在手機(jī)APP內(nèi)可以隨時(shí)隨地對植物盆栽進(jìn)行監(jiān)測，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。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；智能澆灌；室內(nèi)盆栽；云平臺；手機(jī)APP；WiFi模塊

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)手動控制[5]?；诖耍疚奶岢鲆环N新型室內(nèi)盆栽智能澆灌系統(tǒng)，首先對系統(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，云平臺與手機(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72MHz[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]。

2.2WiFi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80MHz，支持WiFi@2.4GHz802.11b/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)SR-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3.3V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設(shè)定值進(jìn)行增1或減1的設(shè)置[9]。當(dāng)傳感器檢測到土壤濕度小于下限值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器，驅(qū)動電磁閥動作，實(shí)現(xiàn)自動澆灌，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，從而控制繼電器動作驅(qū)動電磁閥進(jìn)行自動澆灌的主流程功能；二是通過WiFi模塊與云平臺進(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，云平臺設(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)分析存儲的功能。目前市場上有很多物聯(lián)網(wǎng)平臺可供使用，例如阿里云平臺、中國移動OneNET物聯(lián)網(wǎng)開放平臺等[10]。系統(tǒng)選用阿里云平臺建立數(shù)據(jù)中心。手機(jī)APP采用AndroidStudio平臺開發(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，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)隨地對植物盆栽進(jìn)行監(jiān)測和遠(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)用場景，具備一定的拓展性，發(fā)展前景良好。

作者:胡軒亭 劉虹羚 黃聰賢 單位:南京科技職業(yè)學(xué)院電氣與控制工程學(xué)院