基于物聯(lián)網(wǎng)的室內(nèi)綠植微環(huán)境系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

王哲　于莉莉　高占民　候喜靜　徐良

摘要：生活在城市中的人們與生機(jī)盎然的大自然已漸行漸遠(yuǎn)，這在很大程度上激發(fā)了人們對綠色植物的渴求，綠色生態(tài)意識獲得了空前的提高，成為空間陳設(shè)的關(guān)注焦點(diǎn)。該文利用傳感器技術(shù)，通過單片機(jī)控制并設(shè)計(jì)WIFI模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)控制，同時(shí)在系統(tǒng)中增加了加濕模塊，集凈化空氣加濕一體化設(shè)計(jì)，對室內(nèi)綠植智能化精準(zhǔn)養(yǎng)殖做了一次全新的嘗試。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；專家?guī)?；加?/p>

隨著城市空氣質(zhì)量問題的產(chǎn)生，凈化空氣市場日漸興起，綠色植物成本低、無二次污染、美化環(huán)境、凈化空氣等特點(diǎn)，成為市場追捧的熱點(diǎn)。市面上出現(xiàn)了許多如植物墻等設(shè)計(jì)公司，但大都設(shè)計(jì)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要較大空間，而且后期維護(hù)成本高，這樣導(dǎo)致了其發(fā)展的局限性。本設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，由單片機(jī)控制器，傳感器模塊和WiFi無線傳輸模塊共同組成。由特定的底盆，個(gè)性化的綠植，結(jié)合霧化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綠植凈化空氣、霧化加濕及美觀于一體的功能?？梢詫?shí)時(shí)監(jiān)控周邊和土壤內(nèi)環(huán)境，實(shí)時(shí)報(bào)警并根據(jù)數(shù)據(jù)分析及時(shí)做出決策，并建立一套滿足大多數(shù)室內(nèi)植物生長習(xí)性的參數(shù)數(shù)據(jù)庫滿足植物多樣性要求，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)通過移動終端遠(yuǎn)程訪問的功能。

1綠植微環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的綠植微環(huán)境系統(tǒng)是集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、反饋控制、遠(yuǎn)程訪問等功能為一體的軟件和硬件的系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要功能是利用環(huán)境溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器，實(shí)時(shí)地對花盆內(nèi)植物的環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度和土壤濕度等信息進(jìn)行采集，然后經(jīng)STCl5W4K48S4單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過串口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示屏和配置好的WiFi無線模塊，WiFi模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)端，用戶可以通過實(shí)際情況選擇在顯示屏上直接查看或者通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)在瀏覽器上訪問控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和遠(yuǎn)程控制。同時(shí)本系統(tǒng)將建立專家植物數(shù)據(jù)庫，并可以不斷對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，用采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的相應(yīng)的生長環(huán)境的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，若與設(shè)定值不同，就會控制蜂鳴器發(fā)出報(bào)警提示同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的預(yù)設(shè)操作。使植物能夠獲得更適宜的生長環(huán)境。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1電源轉(zhuǎn)換電路

由于STC15W4K48S4單片機(jī)和各種傳感器均需要5V的直流電源供電，但是WiFi模塊和水泵則分別需要3.3V和12V的電源供電，因此本文選擇LM117穩(wěn)壓芯片和LM2577穩(wěn)壓芯片作為降壓模塊和升壓模塊的主芯片。LM117穩(wěn)壓芯片的工作電壓為輸入直流電壓4.7V～10V，輸出直流電壓3.3V。模塊輸出最大工作電流為800mA，完全滿足本設(shè)計(jì)的需求，其降壓電路如圖2所示。圖2中Vin端輸入5V電壓，Vout輸出3.3V電壓。本設(shè)計(jì)選用LM2577升壓模塊的工作電壓為輸入直流電壓3v～24V，輸出直流電壓3V～32V。模塊輸出最大電流為1.2A，本設(shè)計(jì)采用高效率散熱片，增加了濾波電路并有效地減少了輸出波紋，使模塊的輸出效率更高，輸出電壓更穩(wěn)定。其升壓電路如圖3所示，P1和P2分別為輸入電壓5v和輸出電壓3.3V。

2.2傳感器模塊

由于需要采集適宜綠植生長所需要的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)，所以本設(shè)計(jì)選擇以下這4個(gè)傳感器。針對空氣溫度和濕度本文選用DHT11溫濕度傳感器，其測量量程分別為0-50℃、0%-100%，測量誤差分別為±2℃、±5%；對于光照強(qiáng)度的測量選擇的是BHl750FVI傳感器，其光照強(qiáng)度范圍為0-655351x；土壤濕度傳感器采用YL69土壤濕度傳感器，通過本傳感器A0引腳采集到的土壤濕度模擬量，土壤濕度越大，獲取的模擬量越大，再通過STCl5W4K48S4單片機(jī)核心板上的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，使獲取的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。為了提高YL69土壤濕度傳感器的導(dǎo)電性能，同時(shí)防止傳感器接觸土壤易出現(xiàn)生銹的問題，本設(shè)計(jì)中的土壤濕度傳感器在檢測表面進(jìn)行了鍍鎳處理，大大延長了傳感器的使用壽命。

2.3數(shù)據(jù)處理電路

本設(shè)計(jì)的主控制芯片選用的是STCl5W4K48S4單片機(jī)，STCl5W4K48S4單片機(jī)是高速、寬電壓、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8—12倍。內(nèi)置5個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)高速異步串行通信端口，6路15位PWM，8通道10位高速ADC，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復(fù)位電路。各傳感器通過單片機(jī)核心板的控制，對花盆周圍的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將采集到的數(shù)據(jù)輸入到主控芯片中，經(jīng)過處理將其分類轉(zhuǎn)化為我們所需要的環(huán)境濕度值、環(huán)境溫度值、光照強(qiáng)度值和土壤濕度值，然后通過芯片內(nèi)集成的串行通信端口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ㄅ枳詭У娘@示屏和WiFi無線通信模塊上?？刂破鞑杉@示電路如圖4所示。

2.4報(bào)警電路

當(dāng)植物的某個(gè)生長參數(shù)超出系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)能夠通過蜂鳴器進(jìn)行提示報(bào)警，相對應(yīng)的指示燈會亮起，并在顯示屏上給出合理建議，報(bào)警電路設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

2.5加濕器和水泵控制電路

本文系統(tǒng)能自動維護(hù)環(huán)境空氣濕度在一個(gè)合理的范圍（用戶可預(yù)設(shè)），當(dāng)濕度低于或高于此閾值時(shí)，系統(tǒng)將啟動或關(guān)閉加濕模塊；系統(tǒng)還能自動維護(hù)土壤含水量在一個(gè)合理適宜的范圍（不同植物根據(jù)植物數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)設(shè)定），當(dāng)土壤含水量出現(xiàn)超限報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)能自行澆水；加濕器和水泵的控制電路如圖6所示。

2.6無線模塊的電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)今常見的無線傳輸技術(shù)有GSM通訊技術(shù)、Zig-gee技術(shù)、NFC近場通訊技術(shù)和WiFi無線傳輸技術(shù)。由于WiFi具有傳輸速度快，有效距離長，使用戶無論在世界上哪個(gè)角落，只要有3G/4G或wifi網(wǎng)絡(luò)都可以控制家中的家用電器、燈泡、插座的等智能產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)中使用的無線通訊技術(shù)為WiFi無線通訊技術(shù)。本設(shè)計(jì)選用ESP-12E WiFi模塊，使用AT指令進(jìn)行開發(fā)，支持STA+AP模式同時(shí)存在單獨(dú)STA和單獨(dú)AP模式，是一款基于樂鑫ESP8266的一款超低功耗的UART-WiFi模塊，是一款專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的模塊。本W(wǎng)iFi模塊采用的是ESP8266射頻芯片，其工作電壓為3.0～3.6V，本設(shè)計(jì)采用3.3V電壓。WiFi模塊可以作為客戶端或服務(wù)端，本設(shè)計(jì)使用的是服務(wù)端模式，其與單片機(jī)連接的電路圖如圖7所示

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1下位機(jī)數(shù)據(jù)采集顯示軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中對環(huán)境參數(shù)的采集和處理是由傳感器和單片機(jī)共同完成的。傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)經(jīng)單片機(jī)處理后，在花盆自身的顯示屏上顯示出來，如超過預(yù)定閥值，對應(yīng)參數(shù)的指示燈會被點(diǎn)亮，蜂鳴器會定時(shí)報(bào)警，顯示屏上也會顯示相關(guān)建議。同時(shí)，單片機(jī)會將處理過的環(huán)境參數(shù)通過WiF的無線傳輸方式發(fā)送至上位機(jī)和手機(jī)APP。下位機(jī)軟件流程圖如圖8所示

3.2上位機(jī)工作流程圖

上位機(jī)在綠植微環(huán)境系統(tǒng)中起到了數(shù)據(jù)接收，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)閥值和顯示的作用，其軟件流程圖如圖9所示。

3.3 WiFi通信軟件設(shè)計(jì)

植物體養(yǎng)殖過程全部數(shù)據(jù)都可通過室內(nèi)WiFi上傳至數(shù)據(jù)庫，上傳過程由單片機(jī)核心板與WiFi模塊共同完成。首先使用核心板上的串口通信功能將AT指令發(fā)送給WiFi模塊對WiFi模塊進(jìn)行配置（配置WiFi的工作模式、名字、密碼、IP地址和通訊協(xié)議等），無線WiFi模式有待WiFi配置完成后將傳感器所檢測到的數(shù)據(jù)通過WiFi模塊上傳至云端數(shù)據(jù)庫（使用TCP協(xié)議、遠(yuǎn)端IP地址和遠(yuǎn)端端口），使用戶能夠?qū)崟r(shí)的查看花盆的實(shí)際情況。用戶可選擇使用手機(jī)APP或電腦上位機(jī)直接查看或控制花盆。

4結(jié)束語

綠植陳設(shè)不僅可以裝飾美化居室環(huán)境，避免空間環(huán)境的單一呆板，彌補(bǔ)硬裝的缺陷，還可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，在室內(nèi)環(huán)境中營造出自然清新的室內(nèi)氛圍，有益于人的身心健康，讓人即使身處室內(nèi)也能感受到大自然的氣息。