王正陽 陳婷 李雪竹
【摘 要】大多植物都必需每天按時按量給它們澆水,若忘記澆水,它們就可能會因缺水而枯死。為了滿足需求,采用OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給microbit芯片,根據(jù)濕度數(shù)據(jù)利用算法控制舵機澆水可以解決在這方面出現(xiàn)的問題。利用濕度采集傳感器對土壤數(shù)據(jù)進行采集,microbit芯片控制和調(diào)度舵機設(shè)備,目的是實現(xiàn)新型家居生活中的自動化控制,解決其存在的問題。該項目通過大量實驗,完成了microbit芯片的總控作用和節(jié)點的采集及調(diào)度工作,實現(xiàn)了從采集到傳輸、處理,再到調(diào)度的自動化流程,并在實驗中得到了性能的改進。
【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);傳感器;microbit
現(xiàn)在正處于高速發(fā)展的新時代,據(jù)調(diào)查,93%的居民都會選擇在家中養(yǎng)盆栽,在快節(jié)奏的生活中,經(jīng)常出現(xiàn)忘記澆水的情況,同時手動澆水沒有定量,過量同樣有礙于生長。大部分植物都需要每天按時給它們澆水,如果巧遇較長時間忘記滋潤植物,那植物或許就因缺水而枯萎。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器是通過濕度傳感器對土壤環(huán)境中所含水分狀況進行監(jiān)測, 及時實現(xiàn)自動化供給。
1.系統(tǒng)的架構(gòu)與功能
1.1基本核心體系架構(gòu)
感官層:收集土壤濕度并將數(shù)據(jù)給分析層。
數(shù)據(jù)分析層:對感官層的數(shù)據(jù)進行分析并做出處理。
應(yīng)用實現(xiàn)層:接收到數(shù)據(jù)分析層的命令并做出相應(yīng)的動作。
終端層:通過WIFI網(wǎng)絡(luò)接入,進行遠程查看等操作。
基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器體系結(jié)構(gòu)圖如圖1。
1.2主要實現(xiàn)的功能
整體結(jié)構(gòu)功能分為三塊:
(1)測濕結(jié)構(gòu):實現(xiàn)測出土壤濕度并上傳數(shù)據(jù)給主控板。
(2)灌溉結(jié)構(gòu):由濕度數(shù)據(jù)通過microbit內(nèi)部代碼控制舵機轉(zhuǎn)向,從而使軟管轉(zhuǎn)過指定角度對向植物,實現(xiàn)自動澆水功能。
(3)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu):由microbit芯片的OBLOQ模塊連接WIFI后上傳濕度數(shù)據(jù)到Mqtt Buddy APP,由手機實時隨地查看數(shù)據(jù)。
2.系統(tǒng)實現(xiàn)原理
基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器是以物聯(lián)網(wǎng)DFRobot為基礎(chǔ)平臺, 由智能主板(microbit芯片)、濕度傳感器、OBLOQ模塊、Mqtt Buddy APP和舵機組成的控制系統(tǒng)。設(shè)備采用電容式濕度傳感器,電容式濕度傳感器是用大分子聚合物材質(zhì)的濕敏器件作為敏感電子元件。接通電源模塊后,濕度傳感器對土壤中的水分含量進行分析,上傳土壤濕度數(shù)據(jù)給microbit芯片,之后由microbit芯片運行MakeCode軟件中已編好的代碼控制舵機的定向轉(zhuǎn)動,使軟管對向盆栽,蓄水池內(nèi)部水流出,從而實現(xiàn)自動澆水,microbit芯片通過基于ESP8266設(shè)計的串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)OBLOQ模塊在連入WIFI的環(huán)境下上傳數(shù)據(jù)到終端,隨時查看數(shù)據(jù),實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。系統(tǒng)實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2。
3.硬件設(shè)計
3.1主控板microbit芯片
microbit芯片不僅是整個系統(tǒng)硬件設(shè)計的中心,也是軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心,承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收、分析、發(fā)送與處理的功能,上聯(lián)網(wǎng)關(guān)和終端, 下與各節(jié)點連接。主控板接收濕度傳感器發(fā)來的濕度數(shù)據(jù)時,則會根據(jù)算法分析數(shù)據(jù)從而調(diào)度控制舵機;并且接收濕度數(shù)據(jù)時,則會將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到OBLOQ模塊(物聯(lián)網(wǎng)模塊),通過該模塊打包數(shù)據(jù)發(fā)送給終端。microbit芯片的數(shù)據(jù)傳送主要分為兩種情況:一是數(shù)據(jù)傳送到主控板;二是數(shù)據(jù)從主控板發(fā)出。
3.2其他硬件
其他硬件包括MicroMate、濕度傳感器和舵機。MicroMate是一款為microbit芯片所設(shè)計的微型多功能I/O傳感器拓展板,拓展板配置了3V-5V的電壓轉(zhuǎn)換功能,能驅(qū)動小于5V 2A的元件;濕度傳感器的表面是高分子濕敏元件薄膜,用于采集土壤濕度數(shù)據(jù);舵機采用SG90微型舵機,接收到轉(zhuǎn)向指令后根據(jù)指令定向轉(zhuǎn)動。并且各節(jié)點電路具有統(tǒng)一性,濕度傳感器支持3.3-5.5V寬電壓工作環(huán)境;舵機的工作電壓為4.8V;而microbit芯片支持3-5V電壓。
4.軟件設(shè)計
4.1程序
需要用到MakeCode軟件,而microbit芯片全然支持MakeCode軟件。程序代碼采用簡單、易學(xué)的Python語言進行編寫,使得程序可讀性極高、擴展性強、運行效率提升,提高了系統(tǒng)的相應(yīng)效率,縮短時間。
編程步驟分為:
(1)數(shù)學(xué)建模。根據(jù)植物的需水量和濕度閾值來設(shè)定每次澆水的標準值。
(2)確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。分為三個類:接收傳感器數(shù)據(jù)、根據(jù)傳來的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的標準值比較后在低于閾值時調(diào)用舵機完成澆水、初始化物聯(lián)網(wǎng)模塊并打包濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端設(shè)備。
(3)編寫代碼解決問題。將代碼燒入microbit芯片。
4.2物聯(lián)網(wǎng)模塊
OBLOQ是一款基于ESP8266設(shè)計的串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)模塊,用以接調(diào)控已有的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù),適用于3V~5V的Microbit芯片。Microbit芯片讀取濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)交給物聯(lián)網(wǎng)模塊,OBLOQ模塊利用OBLOQ串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)模塊搭配DFRobot的物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送濕度數(shù)據(jù)到終端設(shè)備。
4.3 Mqtt Buddy APP
這款軟件基于消息隊列遙測傳輸協(xié)議即MQTT,允許用戶控制IOT設(shè)備、管理傳感器。使用DFRobot的公共物聯(lián)網(wǎng)平臺,設(shè)置里NAME:ADDRESS填寫iot.dfrobot.com.cn:1883,之后添加濕度傳感器按鈕即可。
5.結(jié)束語
針對傳統(tǒng)植物澆水存在的問題進行了分析,并對問題存在根源提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器的設(shè)計,該項目的設(shè)計初衷是為解決澆水用量規(guī)格化和不能按時澆水的情況,此次舍此綜合考慮了生活的現(xiàn)狀和實驗器材的限制,融合了萬物互聯(lián)的思想,將智能化帶入生活的細節(jié)。
作者簡介:王正陽(1999-),男,安徽人,本科在校生。
基金項目:2018年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目:基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器(編號201810379108)。