孫宏凱 楊 旭 劉 銳

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071000)

一個(gè)普通的花盆作用就是給植物提供棲息的場(chǎng)所，但是卻不能起到時(shí)刻檢測(cè)土壤中水分含量的作用。如果在花盆中加上一個(gè)芯片，寫入一段代碼來達(dá)到軟硬結(jié)合的目的，是不是能夠解決這個(gè)問題呢？這就是最簡(jiǎn)易的有關(guān)嵌入式的一個(gè)模型，軟件硬件相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)。軟件是指一種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，硬件則是執(zhí)行裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念

整個(gè)系統(tǒng)核心部分是單片機(jī)，還包括土壤濕度傳感器模塊、微型水泵模塊、超聲波測(cè)距模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作過程簡(jiǎn)述就是：當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度數(shù)據(jù)后傳入到單片機(jī)，如果單片機(jī)判斷土壤濕度過低會(huì)啟動(dòng)一段時(shí)間的微型水泵向花盆澆水，還有一個(gè)儲(chǔ)水箱用來存放水，微型水泵會(huì)把儲(chǔ)水箱的水吸到花盆中，超聲波測(cè)距模塊會(huì)把液面數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，如果儲(chǔ)水箱的液面過低則單片機(jī)連接的蜂鳴器會(huì)發(fā)出聲響，提醒人們往儲(chǔ)水箱中加水。

2 硬件及其功能實(shí)現(xiàn)

這里我們使用的是STM32F103RCT6型號(hào)的單片機(jī)。STM32F103RCT6是一種嵌入式-微控制器的集成電路(IC)，芯體尺寸是32位，速度是72MHz，程序存儲(chǔ)器容量是256KB，程序存儲(chǔ)器類型是FLASH，RAM容量是48K。

YL69傳感器主要實(shí)現(xiàn)的功能是土壤水分的測(cè)量，把數(shù)據(jù)經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換傳入到單片機(jī)。土壤水分傳感器由不銹鋼探頭和防水探頭構(gòu)成，該傳感器表面采用鍍鎳處理，避免了接觸土壤生銹的問題，延長(zhǎng)使用壽命，可以長(zhǎng)時(shí)間埋在土壤內(nèi)對(duì)表層和深層土壤水分監(jiān)測(cè)。工作電壓為3.3～5V這個(gè)傳感器的采集數(shù)據(jù)作為土壤濕度的依據(jù)。獲得濕度信息的方式有2種：(1)從傳感器的D0引腳：土壤濕度大于某個(gè)閾值，則D0輸出0，否則輸出1；(2)從傳感器的A0引腳：獲取到模擬量，土壤濕度越大，獲取的模擬量越大，這種更加精確。我們這里用到的是第2種方式獲得較精確的濕度。連接方式是VCC接電源正極(3.3～5V)，GND接電源負(fù)極，A0與單片機(jī)上的AD模塊相連。

考慮到成本問題，需要使用的儲(chǔ)水箱可以用家中的規(guī)則容器。順利實(shí)現(xiàn)澆花功能要保持儲(chǔ)水箱處于有水的狀態(tài)，所以超聲波測(cè)距模塊實(shí)現(xiàn)的功能是監(jiān)測(cè)液面，判斷是否應(yīng)該向儲(chǔ)水箱內(nèi)加水。工作原理是傳感器的一個(gè)控制口發(fā)出方波，同時(shí)打開定時(shí)器，在接受口等待方波信號(hào)的返回，當(dāng)有信號(hào)返回時(shí)會(huì)通過IO口連接的ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是信號(hào)往返時(shí)間，記錄下此時(shí)定時(shí)器的數(shù)值，則測(cè)試距離=聲速*定時(shí)器時(shí)間/2。計(jì)算出測(cè)試距離會(huì)判斷液面是否過低，如果液面過低可以再連接一個(gè)蜂鳴器，此時(shí)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器發(fā)聲來達(dá)到提醒人們?cè)趦?chǔ)水箱注水的目的。連接方式是VCC接5V電源，GND接地，TRIG(高電平觸發(fā)測(cè)距)和ECHO(捕獲輸出高電平時(shí)間)各接一個(gè)IO口。

這里所使用微型水泵用來實(shí)現(xiàn)的功能是把儲(chǔ)水箱中的水抽到花盆中。使用到的是18650移動(dòng)版微型水泵。如果土壤濕度過低說明該澆水了，那么就啟動(dòng)水泵給花澆一定量的水。水量可以通過幾次實(shí)驗(yàn)來確定時(shí)間，然后通過單片機(jī)來定時(shí)，確定開啟水泵幾秒鐘。這里用5V繼電器來控制水泵的開關(guān)。單片機(jī)輸出電流較小，所以需要連接NPN功率三極管放大輸出電流，來控制繼電器的通斷，繼電器的開關(guān)端來控制水泵的工作與停止。設(shè)計(jì)一個(gè)共射極電路讓它處于放大狀態(tài)起到放大基極電流的作用，繼電器的一端連接三極管的發(fā)射極，一端連接18650電池盒的正極，一端接地，另一端連接微型水泵，達(dá)到單片機(jī)輸出一個(gè)信號(hào)經(jīng)三極管放大來導(dǎo)通繼電器啟動(dòng)微型水泵的目的。

至此就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆花的功能，這就是生活中一個(gè)應(yīng)用到嵌入式的小案例，通過這個(gè)例子，我們更加深刻地體會(huì)到科技帶給我們生活的快捷和便利。回顧科技的發(fā)展，由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的極大普及催生了物聯(lián)網(wǎng)，而物聯(lián)網(wǎng)又與嵌入式密不可分。這幾年，嵌入式的實(shí)際應(yīng)用也走入了尋常百姓家，從智能家居、智能音箱到無人汽車、掃地機(jī)器人甚至再到智慧城市、智慧交通，這些無不體現(xiàn)嵌入式帶給我們的方便。所以隨著發(fā)展，嵌入式必定又是一次科技浪潮。