基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器

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）。