基于STM32F107的智能種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

梁龍兵+李楊

摘 要：針對(duì)智能種植裝置功能的固定性和單一性，文中設(shè)計(jì)出一種通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)社交、提供種植方案與自動(dòng)種植的智能種植裝置。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用CC2530搭建無(wú)線傳感網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)安卓界面實(shí)現(xiàn)對(duì)植物溫濕度、光照強(qiáng)度、施水施肥的控制。智能種植裝置的專家系統(tǒng)根據(jù)用戶種植的植物，為用戶提供專業(yè)的種植方案，根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)好友排名，增加人機(jī)互動(dòng)的趣味性。

關(guān)鍵詞：智能種植；傳感器；STM32F107；CC2530

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展與城鎮(zhèn)化加劇，室內(nèi)種植綠色植物，凈化空氣質(zhì)量已逐漸成為主流的生活習(xí)慣。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查表明，到2015年末，城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎剡_(dá)到56.1%，有種植室內(nèi)植物意愿的家庭主婦、退休老人以及愿意嘗試追求新事物的年輕人，占城鎮(zhèn)化人口的9.8%，約為8000萬(wàn)人。霧霾出現(xiàn)的頻次和問(wèn)題加劇，因此空氣逐漸成為影響生活質(zhì)量的重要指標(biāo)，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量要求越來(lái)越高。而基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了智能種植裝置，該裝置集智能種植、社交功能、專業(yè)服務(wù)于一身，可為各類城市用戶的多樣化需求提供相應(yīng)服務(wù)，凈化室內(nèi)空氣，增加室內(nèi)種植的趣味性和娛樂(lè)性。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用CC2530搭建無(wú)線傳感網(wǎng)，通過(guò)手機(jī)安卓界面實(shí)現(xiàn)對(duì)植物溫濕度、光照強(qiáng)度、施水施肥的控制。智能種植裝置的專家系統(tǒng)則根據(jù)用戶種植的植物，為用戶提供專業(yè)的種植方案，根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)好友排名，增加人機(jī)互動(dòng)的趣味性。用戶通過(guò)點(diǎn)觸手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的智能控制，并根據(jù)用戶需求定制相應(yīng)的種植方案。該系統(tǒng)不僅能夠使忙碌的都市人利用碎片時(shí)間實(shí)現(xiàn)植物管理，增添生活樂(lè)趣，還能根據(jù)用戶的種植喜好為用戶建立社群，為其提供有趣、便捷的社交平臺(tái)。

1 智能種植系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能種植系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能種植裝置的硬件結(jié)構(gòu)主要分為傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、主控芯片、服務(wù)器以及個(gè)人手機(jī)和PC端。智能裝置工作的原理傳感器系統(tǒng)采集植物的生長(zhǎng)及環(huán)境信息，通過(guò)CC2530將信息傳輸至主控芯片STM32F107，STM32F107將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以判斷植物的生長(zhǎng)情況，并將結(jié)果傳輸至服務(wù)器或云端，用戶可利用手機(jī)和電腦登錄服務(wù)器或云端實(shí)時(shí)查詢植物的生長(zhǎng)情況，也可以利用手機(jī)通過(guò)服務(wù)器、主控芯片、CC2530、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)植物的施水、施肥、調(diào)節(jié)光照和溫濕度等。系統(tǒng)將采集到的植物生物或環(huán)境信息通過(guò)由CC2530和傳感器搭建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到主控芯片，主控芯片通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、信息處理和信息命令的下達(dá)，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)和電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和控制。

1.1 傳感器系統(tǒng)

智能種植裝置的傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等。各傳感器采集不同的數(shù)據(jù)，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)情況，保障植物健康生長(zhǎng)。各傳感器和CC2530相互組網(wǎng)，構(gòu)成無(wú)線傳感網(wǎng)。

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件開(kāi)銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。智能種植裝置主要通過(guò)DS18B20采集種植植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度，并將采集到的溫度AD值通過(guò)CC2530傳輸至主控芯片。

濕度傳感器模塊采用土壤濕度傳感器模塊，該模塊的數(shù)字量輸出引腳可以與單片機(jī)直接相連，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)高低電平，由此檢測(cè)土壤濕度。小板模擬量輸出引腳可以和AD模塊相連，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。智能種植裝置主要通過(guò)濕度采集種植植物生長(zhǎng)土壤的濕度，并將采集到的濕度AD值通過(guò)CC2530傳輸至主控芯片。

光照傳感器具有I2C總線接口（f/s模式支持），光譜范圍與人眼相近，照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，50 Hz/60 Hz光噪聲，光源的依賴性不大，可調(diào)光學(xué)窗口測(cè)量結(jié)果的影響，小測(cè)變異（+/-20%），紅外線影響較小。智能種植裝置主要通過(guò)光照傳感器采集種植植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照度，并將采集到的光照度AD值通過(guò)CC2530傳輸至主控芯片。

二氧化碳傳感器具有以下特點(diǎn)：具有信號(hào)輸出指示、雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）、TTL輸出有效信號(hào)為低電平、模擬量輸出30～50 mV電壓，濃度越高則電壓越高，對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性及較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。智能種植裝置主要通過(guò)二氧化碳傳感器采集種植植物生長(zhǎng)期間二氧化碳的吞吐量，并將采集到的二氧化碳AD值通過(guò)CC2530傳輸至主控芯片。二氧化碳的吞吐量是判斷植物生長(zhǎng)健康的重要依據(jù)，因此二氧化碳傳感器也是實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)好友排名的重要傳感器。

1.2 控制系統(tǒng)

智能種植裝置的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，施水施肥系統(tǒng)與光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)連接傳感器和智能裝置。主控芯片接收手機(jī)或PC端傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要利用控制節(jié)點(diǎn)、繼電器擴(kuò)展模塊和相應(yīng)的機(jī)電執(zhí)行器，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)水肥、溫濕度的調(diào)節(jié)。當(dāng)植物缺水時(shí)，濕度傳感器采集植物生長(zhǎng)環(huán)境的濕度AD值，通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)傳送至主控芯片，主控芯片將AD值與專家系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)濕度AD值進(jìn)行對(duì)比，若判斷濕度不足，則通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)驅(qū)動(dòng)繼電器施水。其他傳感器類似。

1.3 主控模塊

主控模塊采用STM32F107芯片，該芯片的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個(gè)定時(shí)器、兩個(gè)12位1 M sample/s AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，快速交替模式下為2 M sample/s）、兩個(gè)12位DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、兩個(gè)I2C接口、五個(gè)USART接口，三個(gè)SPI端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口I2S。此外，STM32F107還擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口及以太網(wǎng)10/100 MAC模塊。此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動(dòng)化、家庭音響和家電市場(chǎng)多種產(chǎn)品的需求。

基于STM32F107上述特點(diǎn)，本裝置采用STM32F107作為主控芯片，負(fù)責(zé)處理CC2530傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比判斷，做相應(yīng)處理，之后將處理好的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或云端。主控芯片通過(guò)數(shù)據(jù)平臺(tái)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、信息處理和信息命令的下達(dá)，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時(shí)隨地通過(guò)手機(jī)和電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢和控制。

1.4 用戶控制模塊

用戶控制模塊主要采用手機(jī)或電腦實(shí)現(xiàn)，用戶通過(guò)手機(jī)登錄服務(wù)器查詢或修改服務(wù)器或云端的數(shù)據(jù)，達(dá)到控制智能種植裝置的目的，具體使用ZigBee協(xié)議，TC/IP協(xié)議以及Socket通信等實(shí)現(xiàn)。

2 智能種植系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能種植系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如圖3所示。智能種植裝置的軟件部分主要通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)CC2530傳輸，使STM32F107接收到數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比后，判斷植物環(huán)境指標(biāo)是否符合健康標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)具體情況做相應(yīng)處理。如采集光照，將現(xiàn)有光照值與光照健康標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)對(duì)比，如果現(xiàn)有值比庫(kù)中值強(qiáng)則減少光照；反之，增加光照。

該系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。其中AD采樣值包括溫濕度AD值、光照AD值、CO2 的AD值；標(biāo)準(zhǔn)健康數(shù)據(jù)庫(kù)的值包括溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值、光照標(biāo)準(zhǔn)值、CO2標(biāo)準(zhǔn)值等。當(dāng)系統(tǒng)接收到AD值時(shí)，與健康標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的值進(jìn)行對(duì)比，若高于標(biāo)準(zhǔn)值則發(fā)送減少指令，若低于標(biāo)準(zhǔn)值則發(fā)送增加指令。

3 結(jié) 語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)了集社交、種植方案、自動(dòng)種植為一身的智能種植裝置。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用手機(jī)安卓界面實(shí)現(xiàn)對(duì)植物溫濕度、光照強(qiáng)度、施水施肥的控制。專家系統(tǒng)根據(jù)用戶種植的植物，為用戶提供專業(yè)的種植方案，根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)社交。在增加種植趣味性的同時(shí)凈化了室內(nèi)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]劉旦，陳榮，李夢(mèng)瑤.基于“智能種植”的分析與數(shù)據(jù)處理[J].電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2016，12（7）：166-168.

[2]盧文景.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2015.

[3]林振華，伏小強(qiáng).一種具有空氣凈化的無(wú)線智能種植系統(tǒng)，CN105706777A[P].2016.

[4]劉波平，王蕾，付康，等.基于云計(jì)算的智能種植生產(chǎn)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)種養(yǎng)，2016（4）.

[5]付煥森，李元貴，張雪蓮，等.智能專家系統(tǒng)在蔬菜溫室大棚種植中的應(yīng)用[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2014， 35（1）：240-244.

[6]曹再輝，吳慶濤，劉繼倫.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能種植裝置：CN，CN203490529U[P].2014.

[7]徐吉祥.智能種植管理方法和智能種植設(shè)備，CN104866970A[P].2015.

[8]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與相關(guān)技術(shù)研究[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，29（6）：1-11.

[9]錢(qián)志鴻，王義君.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用研究[J].電子學(xué)報(bào)，2012，40（5）：1023-1029.

[10]劉強(qiáng)，崔莉，陳海明.物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2010，37（6）：1-4.

[11]朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展與趨勢(shì)[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26（1）：1-3.