基于Arduino的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

楊潞霞

(山西大學商務(wù)學院信息學院，山西 太原 030031)

基于Arduino的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)*

楊潞霞

(山西大學商務(wù)學院信息學院，山西 太原 030031)

設(shè)計了一種以Arduino為核心控制芯片的智能澆花系統(tǒng)，包括有Arduino UNO控制芯片，溫濕度傳感器模塊，太陽能供電模塊、LCD顯示模塊、藍牙通信模塊等。該系統(tǒng)運行有兩種模式，一為自動模式，主要是利用土壤濕度傳感器進行實時土壤濕度信息的采集，并通過Arduino對信息進行分析處理，來控制水泵的開啟與關(guān)閉；二為手動模式，系統(tǒng)可通過手機APP來實時獲取土壤信息情況，并根據(jù)實際情況用手機控制適時適量澆花。系統(tǒng)采用太陽能加電池供電的方式，運行安全可靠，適用于所有的盆栽植物，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低，在現(xiàn)實生活中具有很好的應(yīng)用價值。

Arduino UNO芯片；智能澆花；土壤濕度傳感器；藍牙通信；水泵

隨著科技的發(fā)展，我們跑步進入了智能化時代，智慧城市、智能之家等都逐漸映入眼簾。我們充分享受著智能帶來的便捷，交通智能化方便了我們的出行，微型計算機代替人腦完成復雜計算，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在地球上編織了一張大網(wǎng)，讓人與人之間的距離縮近，這一切都改變著我們的生活。閑暇之際，養(yǎng)花成了現(xiàn)代人陶冶情操的方式，但是，經(jīng)常旅游出差等卻總是讓愛花幾近凋謝。為解決這一問題，市場上出現(xiàn)了一些澆花裝置[1-3]，主要分為兩類:一類是以物理虹吸原理，即利用滲透的方式來自動澆水，另一類是利用簡單的定時控制技術(shù)實現(xiàn)自動澆水。由于這些澆花系統(tǒng)檢測方式單一，無法根據(jù)土壤濕度來達到實時澆水，因此往往出現(xiàn)花卉干枯或者過澇死亡的現(xiàn)象。本文提出一種新的智能化的澆花系統(tǒng)，在太陽能加電池的穩(wěn)定電源供電下，通過土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器來實時監(jiān)測花卉的情況，核心處理器Arduino將傳感器得到的信息進行判斷處理，并及時給出控制系統(tǒng)信號，從而控制水泵的開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)按需澆花；此外，系統(tǒng)藍牙模塊可以與手機通信，用戶能隨時自動接收花卉的當前狀況，這彌補提升了當前市場上澆花裝置的不足。

1 澆花系統(tǒng)的設(shè)計思路

利用Arduino為主要控制芯片，由土壤濕度采集模塊、外界溫度采集模塊、藍牙通信模塊、控制水泵模塊和顯示模塊五大部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該智能澆花系統(tǒng)擁有兩種工作模式：一種是自動模式，另一種是手動模式。

圖1 澆花系統(tǒng)總體框架圖

自動模式是根據(jù)預先設(shè)定土壤干濕度，室內(nèi)溫濕度的閾值，來判斷澆花系統(tǒng)是否應(yīng)該自動啟動；利用土壤濕度傳感器來檢測土壤的含水量，溫濕度傳感器檢測植物環(huán)境溫濕度，并將檢測到的信號傳給控制器Arduino UNO，經(jīng)過與預設(shè)值的比較判斷，如果需要澆水則驅(qū)動水泵電機澆水，如果不需要Arduino會進入斷電模式，系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的土壤和環(huán)境進行設(shè)定。

另一種為手動模式，通過用戶手機藍牙與系統(tǒng)的藍牙連接完成后，借助手機APP即可獲得當前土壤的濕度情況，植物所在的環(huán)境溫度狀況，通過輸入對應(yīng)的指令，來控制澆花系統(tǒng)的運行和停止。如果斷開藍牙的連接，則系統(tǒng)自動還原為自動模式。

每種工作模式下的傳感器采集值都可以通過LCD顯示屏實時檢測觀察。

2 硬件設(shè)計

本設(shè)計選用了Arduino UNO作為核心控制芯片，通過杜邦線與其他部件相連。利用土壤濕度傳感器、DTH11溫度傳感器來監(jiān)測花卉情況，其中土壤濕度傳感器實時采集土壤的濕度值，并將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，DTH11溫度傳感器來檢測環(huán)境溫度，傳感器將得到的信息通過杜邦線傳遞給Arduino進行判斷處理；Arduino利用電磁繼電器控制電路通斷，控制在儲水箱中的水泵來達到澆水。水位計來檢測儲水箱中的水量，提醒用戶及時向儲水箱加水；該系統(tǒng)加入LCD1602模塊來顯示花卉實時情況，每兩秒更新一次；并且系統(tǒng)通過藍牙模塊與手機相連，用戶可以隨時接收自動花卉當前的情況，全程通過太陽能來供電，節(jié)約能源安全可靠。

2.1 控制核心

主控電路是整個系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)的控制器為Arduino UNO，Arduino UNO與適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個Arduino控制系統(tǒng)[4]。Arduino UNO作為Arduino平臺的參考標準模板[5]。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個16 MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。Arduino各模塊較獨立。Arduino UNO實物結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 通訊模塊

通訊方式為藍牙，藍牙是一種低成本大容量的短距離無線通信規(guī)范，本系統(tǒng)中的藍牙模塊與手機中的藍牙相連接，可通過手機藍牙APP向系統(tǒng)發(fā)送指令，藍牙模塊接收指令后，以串口的方式發(fā)送指令到Arduino[6,7]。用戶可以通過手機連接系統(tǒng)的藍牙串口APP進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測，并根據(jù)收到的濕度值對系統(tǒng)進行開始澆水或停止?jié)菜闹噶?，人為地控制澆水時間澆水量；同時，用戶也可利用手機將系統(tǒng)調(diào)節(jié)為自動模式，進行系統(tǒng)自動管理。本產(chǎn)品采用藍牙通訊模塊如圖3所示。

圖2 Arduino UNO實物圖

圖3 藍牙模塊

2.3 傳感器模塊

本設(shè)計主要利用了土壤濕度傳感器，DHT11溫度傳感器，旋轉(zhuǎn)傳感器。土壤濕度傳感器模塊用于檢測土壤的濕度，傳感器能實時采集土壤的濕度值，將濕度模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，此信號通過杜邦線傳送到Arduino，供Arduino對該信號進行處理，將檢測到的濕度值與預設(shè)的濕度閾值進行比較[8]，若小于預設(shè)閾值則啟動系統(tǒng)，大于預設(shè)值則停止?jié)菜HT11溫度傳感器主要用來檢測環(huán)境溫度，若需要澆水，則驅(qū)動水泵電機進行澆水，其輸出波形穩(wěn)定，驅(qū)動能力強，工作電壓為3.3 V～5 V，可直接將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，信號穩(wěn)定，適用環(huán)境廣泛。

2.4 LCD顯示屏模塊

本產(chǎn)品為了能夠直觀顯示檢測值，選用LCD1602模塊進行實時顯示。該模塊實現(xiàn)包括土壤濕度、室溫、室內(nèi)空氣濕度、儲水箱水量等實時數(shù)據(jù)的顯示，每隔兩秒更新一次相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶可隨時監(jiān)測當前花卉及環(huán)境的相關(guān)狀況，同時可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)自行照顧花卉。

2.5 太陽能供電模塊

太陽能電池板(Solar panel)是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，屬于更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品。當光源充足時，太陽能電池板將轉(zhuǎn)化的電能存儲起來，當無光源或斷電時，啟動備用電源為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的正常工作。自制的太陽能電池板如圖4所示。

圖4 自制太陽能電池板

2.6 水位計模塊

壓力式水位計是根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運用壓敏元件作傳感器的水位計。當傳感器固定在儲水箱水下某一測點時，該測點以上水柱壓力高度加上該點高程，即可間接地測出水位，當水位低于預設(shè)水位時，向用戶發(fā)出一個提示信息，提醒用戶向儲水箱注入適量的水，便于用戶實時監(jiān)測。

2.7 硬件連接

各個功能的實現(xiàn)都需要在Arduino UNO控制芯片的基礎(chǔ)上將各個主要實現(xiàn)功能的硬件連接起來。利用Arduino UNO作為控制芯片，并將其余硬件模塊(參考硬件連接)用導線或其他硬件連接方式連接到與程序相對應(yīng)的Arduino各個數(shù)字，模擬口。本產(chǎn)品選取硬件與Arduino接口連接情況如表1所示。

表1 Arduino UNO控制芯片連接硬件情況表

3 軟件設(shè)計

3.1 Arduino芯片核心程序設(shè)計

Arduino作為主要控制芯片，要實現(xiàn)預想的澆花系統(tǒng)功能，需要利用Arduino插件進行程序的編寫。

當系統(tǒng)啟動時，Arduino開始對程序進行初始化，隨后等待上位機發(fā)出指令，接收到指令后，對程序相關(guān)設(shè)定參數(shù)進行更新(包括土壤濕度、室溫等)，然后開始檢測土壤濕度，在當前濕度監(jiān)測值傳回上位機后，系統(tǒng)將把檢測值與預設(shè)值進行比較，當檢測值低于預設(shè)值時，Arduino驅(qū)動水泵電機進行工作，此時土壤濕度將隨著水量的增加而增加，直到檢測值大于設(shè)定值時，水泵停止工作，具體工作流程如圖5所示。

圖5 主控程序設(shè)計流程圖

3.2 手機藍牙APP設(shè)計

本系統(tǒng)可以通過手機藍牙APP程序與系統(tǒng)的藍牙模塊相連，實現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換，自動模式與手動模式，如選擇手動模式，即要向控制器發(fā)送指令，用手機合理實時地控制系統(tǒng)的工作與否，并且系統(tǒng)會自動及時地反饋系統(tǒng)當前的溫濕度值。該APP程序的功能包括：登錄界面、主功能界面和參數(shù)設(shè)置，其中主功能界面的設(shè)計如圖6所示。

圖6 手機APP主功能界面

4 結(jié)語

本設(shè)計采用Arduino作為控制芯片，針對智能化灌溉和人性化遠程控制設(shè)計并實現(xiàn)了一款智能澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在家時設(shè)置成手動模式，根據(jù)藍牙APP傳回的土壤溫濕度值合理地用手機控制水泵的開啟與關(guān)閉；也可以出門時選擇自動模式，由系統(tǒng)根據(jù)花盆中土壤濕度來控制水泵的開啟與停止；此外，系統(tǒng)的太陽能持續(xù)穩(wěn)定供電保證系統(tǒng)地穩(wěn)定運行。將該設(shè)計放入辦公室的花盆進行使用，實驗證明本設(shè)計基本能實現(xiàn)按需澆水，后續(xù)可以繼續(xù)

升級，并可以為溫室大棚灌溉、園林灌溉等智能化的植物灌溉系統(tǒng)提供一定的參考價值。

[1] 劉川,張小成,高進淵,等.智能自動澆花系統(tǒng)的控制設(shè)計研究[J].科技視界,2015(18):87-88.

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[3] 朱士東,高洪卓,楊燕芬,等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2017,16(11):42-43.

[4] 袁騰,王帥,梅明,等.基于單片機原理的可定時自動澆花器[J].硅谷,2012(13):38-39.

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[6] 于欣龍，李澤.傳感器實戰(zhàn)全攻略[M].北京,人民郵電出版社,2016：263-280.

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[8] 劉力.基于Ardunio和Android的藍牙遙控車[J].科技視界,2016(14):148-148.

DesignandImplementationofIntelligentWateringSystemBasedonArduino

Yang Luxia

(SchoolofInformation,BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

This paper designs a kind of intelligent watering system based on Arduino, which takes Arduino UNO as the control chip, and includes temperature and humidity sensor module, solar cell, LCD display module, bluetooth communication module and so on. There are two kinds of system operation mode, one is the automatic mode, the real-time soil relative humidity by soil moisture sensor is detected, water pump is controlled by information processing and analysis on Arduino; the second is the manual mode, the system can get real-time soil information by mobile phone APP, and adopts the phone to control right amount and timely water the flowers according to actual situation. The system operation is safe and reliable with the features of simple structure, easy operating and low costs for power system of solar cell. It is used in all the potted plants, and has very good application value.

Arduino UNO chip; intelligent watering; soil moisture sensor; bluetooth communication

2017-10-25

山西省面上青年基金項目(201701D221103)；山西省教育科學“十三五”規(guī)劃課題(GH-16182)

楊潞霞(1979-)，女，山西陽城人，副教授，博士，主要研究方向為微納技術(shù)與儀器、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)與應(yīng)用。

1674- 4578(2017)06- 0046- 04

TP273

A