葉金霖 池建鋼 王鵬 郭卉 俞飛

摘要：針對(duì)人們長(zhǎng)期疏于管理導(dǎo)致盆栽植物不能存活的問題，基于STM32單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一種盆栽植物管理系統(tǒng)，用戶可通過手機(jī)APP客戶端對(duì)盆栽植物進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)的澆水及補(bǔ)光操作，保證了在無人管理時(shí)植物能正常生長(zhǎng)，節(jié)省人力的同時(shí)，凈化室內(nèi)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);盆栽植物管理;APP客戶端;澆水;補(bǔ)光

0 引言

現(xiàn)代都市生活壓力大，很多人喜歡在家或辦公室擺放盆栽植物，但往往由于工作忙碌或長(zhǎng)期外出等，對(duì)盆栽疏于管理，大大降低了植物的存活率，降低了人們養(yǎng)殖盆栽的熱情[1]。

本文基于STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)的盆栽植物管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物的遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光等功能。用戶可通過手機(jī)端APP無線監(jiān)測(cè)盆栽植物的土壤濕度和光照強(qiáng)度等參數(shù)，在植物需要澆水及光照時(shí)，可自動(dòng)或手動(dòng)完成澆水及補(bǔ)光工作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該盆栽植物管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示，系統(tǒng)主要包括主控制芯片、土壤濕度及光照強(qiáng)度傳感器、LED燈及水泵、OLED顯示器、蜂鳴器、路由器、服務(wù)器及手機(jī)APP等。

系統(tǒng)工作原理：以STM32單片機(jī)為主控制芯片的主控電路接收來自傳感器采集的土壤濕度和光照強(qiáng)度信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，同時(shí)系統(tǒng)可通過Wi-Fi遠(yuǎn)程向手機(jī)APP發(fā)送信息[2]，若光照強(qiáng)度和土壤濕度不滿足植物生長(zhǎng)需求，系統(tǒng)會(huì)通過蜂鳴器報(bào)警，用戶既可遠(yuǎn)程對(duì)盆栽植物進(jìn)行澆水或補(bǔ)光，又可通過托管模式自動(dòng)澆水和補(bǔ)光。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該盆栽植物管理系統(tǒng)硬件電路主要包括主控制電路、檢測(cè)電路、顯示和報(bào)警電路、無線傳輸電路及自澆水補(bǔ)光模塊等。

2.1? ? 主控制電路設(shè)計(jì)

主控制電路原理圖如圖2所示，以STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，該單片機(jī)具有STM32系列的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，外設(shè)資源豐富，具有12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)PWM發(fā)生器和3個(gè)計(jì)時(shí)器，支持多個(gè)通信接口，適用于多場(chǎng)景應(yīng)用。

STM32單片機(jī)提供了2個(gè)外部時(shí)鐘輸入接口：外部高速時(shí)鐘（HSE）和外部低速時(shí)鐘（LSE）。HSE選用8 MHz主頻，用于提供精確的系統(tǒng)時(shí)鐘源;LSE選用32.768 kHz主頻，可為實(shí)時(shí)時(shí)鐘或者其他定時(shí)功能提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。本設(shè)計(jì)主要用到的外設(shè)包括SPI接口、ADC模塊、串口模塊、GPIO和計(jì)數(shù)器等。

2.2? ? 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

土壤濕度和光照強(qiáng)度檢測(cè)電路選用FC-28土壤濕度檢測(cè)模塊采集土壤信息，光敏電阻采集光照強(qiáng)度信息[3-4]，信號(hào)經(jīng)運(yùn)算放大器放大后發(fā)送給主控制器，主控制器的ADC模塊將傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并將采集的土壤濕度值和光強(qiáng)值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)系統(tǒng)判斷植物缺水時(shí)，主控制器控制水泵對(duì)盆栽植物進(jìn)行澆水;當(dāng)系統(tǒng)判斷植物缺光時(shí)，控制LED燈對(duì)盆栽植物補(bǔ)光。

2.3? ? 顯示和報(bào)警電路設(shè)計(jì)

顯示電路選用OLED顯示屏，通過SPI協(xié)議與主控制進(jìn)行通信，根據(jù)檢測(cè)到的土壤濕度及光照強(qiáng)度參數(shù)與設(shè)定閾值的大小關(guān)系，顯示“正?！薄叭彼被颉叭惫狻弊謽?。報(bào)警電路采用蜂鳴器作為本地報(bào)警裝置，當(dāng)缺水或者缺光時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒用戶進(jìn)行補(bǔ)水及補(bǔ)光操作[5]。

2.4? ? 無線傳輸電路設(shè)計(jì)

無線傳輸電路選用ESP8266型Wi-Fi模塊收發(fā)來自手機(jī)APP的數(shù)據(jù)，該模塊遵循無線通信IEE 802.11系列協(xié)議，單片機(jī)通過USART串口與模塊進(jìn)行通信，模塊將盆栽植物的濕度及光強(qiáng)信息傳輸給手機(jī)APP，同時(shí)接收來自手機(jī)APP的澆水、補(bǔ)光等指令。

2.5? ? 自動(dòng)澆水補(bǔ)光模塊

自動(dòng)澆水補(bǔ)光模塊主要由繼電器、水泵和LED光源組成。其中，繼電器選用松樂SRD-5VDC-SL-A型繼電器，線圈直流電壓為5 V;水泵選用JT-DC3L-3型立式微型無堵塞潛水泵，該水泵工作電壓小，流量及揚(yáng)程符合盆栽植物供水需求，水泵放入蓄水池中，出水口接透明軟管，置入盆栽底部。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該盆栽植物管理系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)流程如圖3所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)行初始化，然后分別采集土壤濕度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與設(shè)定閾值進(jìn)行比較判斷。當(dāng)濕度和光強(qiáng)高于閾值時(shí)，系統(tǒng)保持原狀態(tài)，循環(huán)采集信息，對(duì)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，否則系統(tǒng)會(huì)提示報(bào)警并執(zhí)行自動(dòng)澆水或自動(dòng)補(bǔ)光程序。當(dāng)濕度值低于設(shè)定的加水閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)自動(dòng)澆水程序，控制水泵從蓄水池中抽水對(duì)土壤進(jìn)行補(bǔ)水;當(dāng)濕度值高于斷水閾值時(shí)，系統(tǒng)停止?jié)菜?，其中加水閾值低于斷水閾值。?dāng)檢測(cè)到當(dāng)前光強(qiáng)低于設(shè)定的光強(qiáng)閾值時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí);當(dāng)光照強(qiáng)度持續(xù)偏低超過設(shè)定的時(shí)間閾值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)補(bǔ)光程序，對(duì)植物連續(xù)補(bǔ)光一段時(shí)間后停止補(bǔ)光。

濕度和光強(qiáng)數(shù)據(jù)通過OLED顯示屏顯示，同時(shí)通過Wi-Fi上傳至用戶手機(jī)APP，手機(jī)APP客戶端界面如圖4所示。本設(shè)計(jì)有兩種模式可供用戶在手機(jī)APP端進(jìn)行選擇，分別是全托管和半托管模式。在全托管模式下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)土壤濕度和光照強(qiáng)度的變化，自動(dòng)啟動(dòng)澆水和補(bǔ)光操作，用戶只可以在手機(jī)APP終端查看濕度和光強(qiáng)信息。在半托管模式下，用戶能夠通過手機(jī)APP客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盆栽植物生長(zhǎng)的同時(shí)，可直接發(fā)送控制指令來遠(yuǎn)程澆花和補(bǔ)光，保證植物的生長(zhǎng)[6]。

4 功能測(cè)試

該盆栽植物管理系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示，設(shè)置土壤濕度加水閾值為30%，斷水閾值為70%，準(zhǔn)備不同濕度值分布在10%～80%的土壤，對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)水功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

設(shè)置光照強(qiáng)度閾值為5 000 lx，時(shí)間閾值為10 min，補(bǔ)光時(shí)間設(shè)為5 min，分別在光照強(qiáng)度為500～20 000 lx時(shí)對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)光功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的盆栽植物管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)盆栽的及時(shí)澆水和補(bǔ)光，能增強(qiáng)人們的培植樂趣，符合智能家居概念，具有一定的應(yīng)用和推廣價(jià)值。此設(shè)計(jì)還可以應(yīng)用在糧倉、檔案室等對(duì)溫濕度要求敏感的地方，可以防止糧食霉變以及文檔文件的字跡油滲擴(kuò)散和退變。

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