基于單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李雨璇 陳剛

摘 要： 本系統(tǒng)能高效方便地管理盆栽，以滿足養(yǎng)花族照顧盆栽的需求。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)系統(tǒng)，采用OV2640攝像頭模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊作為外圍電路收集相應(yīng)的圖像和溫濕度信息，對盆栽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過HLK-RM04的WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)到本地服務(wù)器。通過網(wǎng)頁用戶可查看相應(yīng)盆栽數(shù)據(jù)，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞： STM32單片機(jī)； 物聯(lián)網(wǎng)； 遠(yuǎn)程控制； 實(shí)時(shí)監(jiān)測； 傳感器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2018）06-32-03

Design of intelligent watering system with single-chip microcomputer

Li Yuxuan1， Chen Gang2

（1. College of Information Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan 410128， China；

2. College of Information Science and Technology， Hunan Agricultural University）

Abstract： The system can efficiently and conveniently manage potted plant to meet the needs of the flower growers to take care the potted plant. The system uses STM32 single-chip microcontroller system， adopts OV2640 camera module and DHT11 temperature and humidity sensor module as peripheral circuit to collect the corresponding information of image， temperature and humidity for real-time monitoring of potted plant， and through the WiFi module HLK-RM04 uploads data to a local server. Via a Web browser users can view the data of potted plant and make remote control.

Key words： STM32 single-chip microcomputer； Internet of Things； remote control； real-time monitoring； sensor

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和人們生活水平不斷提高，人民群眾對美好生活的需求越來越迫切。越來越多的人開始在工作學(xué)習(xí)之余，在家里或辦公室里養(yǎng)殖盆栽，這已成為了人們?nèi)粘Ｃ篮蒙钚枨蟮囊粋€(gè)重要組成部分。盆栽可以凈化空氣，使人身心愉悅，營造良好的辦公環(huán)境，提高工作積極性。但是隨著生活節(jié)奏的不斷變快，很多養(yǎng)花族沒有足夠的時(shí)間照顧花草。有時(shí)遇到有事需外出多日，家里的花草盆栽會缺乏照顧甚至導(dǎo)致枯萎死亡。這不僅造成了一定的個(gè)人經(jīng)濟(jì)損失，對養(yǎng)花人本身也是一種精神上的損失。并且很多花卉市場、酒店、公司養(yǎng)有大量的花卉，他們的澆花更是一項(xiàng)繁雜的工程[1]。不同的花卉對應(yīng)不同的需水量，人工操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且不易于控制水量。為解決這個(gè)問題，近年來國內(nèi)網(wǎng)市場應(yīng)運(yùn)而生了多種自動澆花器，不同系統(tǒng)功能和控制原理雖不盡相同，但目的都是為了保證花草正常生長，方便人們的日常生活。

該系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)是在三十年前發(fā)展于日本和歐美國家，在之后十幾年才進(jìn)入中國市場，隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器的精準(zhǔn)度得到了很大的提升，同時(shí)伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及各種網(wǎng)絡(luò)模塊的出現(xiàn)，推動了智能澆花系統(tǒng)向物聯(lián)網(wǎng)方向的發(fā)展。

目前國外相應(yīng)技術(shù)發(fā)展較為成熟，如Droplet智能噴灌設(shè)置。其主要功能是利用云端數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域的澆水。該系統(tǒng)有專門的云端軟件與硬件端通信，故該系統(tǒng)可在植物水分不足時(shí)及時(shí)澆灌。若用戶因工作忙碌無法定時(shí)澆水，也可預(yù)設(shè)相關(guān)工作處理過程，當(dāng)需執(zhí)行該任務(wù)時(shí)，下達(dá)命令即可。目前國內(nèi)較成熟的產(chǎn)品之為海爾“菜多多”智能家庭陽臺種植機(jī)。該系統(tǒng)內(nèi)部自動形成一個(gè)智能微生態(tài)環(huán)境，將植物種植在其中，該系統(tǒng)可智能監(jiān)測其水分溫度光照等信息，并且利用WIFI模塊上傳網(wǎng)絡(luò)，供用戶利用手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看。目前市場上比較全面新型的智能澆花系統(tǒng)在傳感器上做的非常完美，可采集非常詳細(xì)的數(shù)據(jù)，在網(wǎng)絡(luò)連接上主要有WIFI、Zigbee、3G、4G模塊上傳云平臺，之后與手機(jī)APP、微信小程序或者網(wǎng)頁連接。且該系統(tǒng)還可延展到智能農(nóng)業(yè)中[2]。但目前國內(nèi)較少使用攝像頭進(jìn)行圖像采集，且很多方案在遠(yuǎn)程控制上還存在較多不足，無法滿足日益增長的市場需求。

基于國內(nèi)目前智能澆花系統(tǒng)中存在的一些缺陷，需設(shè)計(jì)一款讓用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)測到盆栽信息并能通過控制虛擬開關(guān)來遠(yuǎn)程控制盆栽澆水情況的系統(tǒng)[3]。基于單片機(jī)的物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng)可以滿足要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32為核心控制芯片，采用OV2640攝像頭模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊作為外圍電路收集相應(yīng)的圖像和溫濕度數(shù)據(jù)，對盆栽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。并通過HLK-RM04的WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)到搭建的本地服務(wù)器，該服務(wù)器目前由自己筆記本電腦搭建，用戶可通過手機(jī)或者PC機(jī)查看相應(yīng)盆栽數(shù)據(jù)[4]。并通過用戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信交互，即通過控制網(wǎng)頁端或者手機(jī)端程序的開關(guān)按鈕將指令傳遞到硬件，從而控制硬件端繼電器模塊最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

[本地服務(wù)器][WIFI模塊][開/關(guān)][圖像顯示][溫濕度顯示] [網(wǎng)頁端][STM32最小

單片機(jī)系統(tǒng)][繼電器][攝像頭模塊][溫濕度傳感器]

2.1 STM32最小單片機(jī)系統(tǒng)

STM32最小單片機(jī)系統(tǒng)由核心控制芯片STM32F103C8T6、電源供電模塊、啟動模式、下載電路和復(fù)位電路五部分構(gòu)成。核心控制芯片STM32F103C8T6為32位ARM微控制器，完全滿足物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng)的嵌入式控制要求。電源采用4.2V鋰電池供電方式，其中采用LM1117-3.3V穩(wěn)壓芯片進(jìn)行降壓得到3.3V電壓供整個(gè)電路使用。

⑴ 攝像頭圖像采集電路

攝像頭圖形采集電路基于OV2640傳感器實(shí)現(xiàn)。OV2640是利用SCCB總線控制的小型CMOS UXGA圖像傳感器[5]。該傳感器體積小、工作電壓低，可提供單片UXGA攝像頭和影像處理器的所有功能[6]。其中UXGA圖像每秒可達(dá)到15幀，能夠滿足澆花系統(tǒng)的遠(yuǎn)程視頻功能。

⑵ 溫濕度采集電路

溫濕度采集電路基于DHT11傳感器實(shí)現(xiàn)。該模塊功耗低且抗干擾能力強(qiáng)，采用單總線串行模式，實(shí)現(xiàn)功能較簡單可靠，能較好的滿足陽臺花盆的溫濕度采集需求。其數(shù)據(jù)采集過程大致為核心控制芯片發(fā)送開始信號，溫濕度傳感器由低功耗到高速模式，采集信號完成后，DHT11開始響應(yīng)并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送[7]。此時(shí)控制端開始接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存，用戶可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測花卉盆栽的溫濕度情況。

⑶ WIFI電路

WIFI電路基于HLK-RM04的無線模塊實(shí)現(xiàn)。該傳感器基于通用串行接口，并且符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式無線傳輸模塊，能夠滿足用戶在無線網(wǎng)、以太網(wǎng)、串口這三個(gè)接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。內(nèi)置相應(yīng)的協(xié)議棧。該模塊與傳統(tǒng)WIFI模塊不同之處在于無需復(fù)雜配置且可提供整套解決方案，可以直接通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。模塊可使無線網(wǎng)與本地服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)連接交互從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制。

⑷ 繼電器模塊電路

繼電器模塊電路在該系統(tǒng)中的作用為模擬澆花裝置開關(guān)。繼電器根據(jù)用戶在網(wǎng)頁端的開＼關(guān)指示不斷吸和進(jìn)行澆水操作。繼電器模塊工作電壓為5V，觸發(fā)電流為5mA，觸發(fā)方式為手動跳線設(shè)置且分別為高低電平觸發(fā)。綠色為電源指示燈，紅色為狀態(tài)指示燈。當(dāng)遠(yuǎn)程控制時(shí)繼電器會不斷吸合，狀態(tài)指示燈也會不斷亮滅。

2.2 實(shí)物展示

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32為核心控制芯片，服務(wù)器端通過花生殼進(jìn)行PC機(jī)本地服務(wù)器進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)映射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程澆花功能，簡單可靠，有重要的應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)由多個(gè)模塊整合而成，通過OV2640攝像頭模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊作為外圍電路收集相應(yīng)的圖像和溫濕度數(shù)據(jù)，對盆栽進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。并采用HLK-RM04的WIFI模塊上傳數(shù)據(jù)到搭建的本地服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)頁遠(yuǎn)程查看即用戶可通過網(wǎng)頁查看相應(yīng)盆栽數(shù)據(jù)。并通過用戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信交互，即通過控制網(wǎng)頁端的開關(guān)按鈕，可將指令傳遞到硬件端，從而控制硬件端繼電器模塊最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)由多個(gè)模塊整合而成。外圍傳感器包括攝像頭、WIFI模塊、繼電器模塊、溫濕度傳感器。攝像頭和溫濕度傳感器收集花卉盆栽的水分溫度數(shù)據(jù)然后通過WIFI模塊上傳本地服務(wù)器，用戶通過網(wǎng)頁端查看花卉盆栽信息并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制，結(jié)合軟硬件的模擬完成智能澆花的操作過程[9]。

該系統(tǒng)很好的解決了喜歡種植花卉盆栽的人們長時(shí)間外出導(dǎo)致花卉盆栽無人看護(hù)的問題。但是由于該系統(tǒng)主要是通過模擬實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)功能，有些模塊功能還需進(jìn)一步完善[10]。如數(shù)據(jù)采集端目前只使用了溫濕度傳感器DHT11，沒有特定的測量土壤溫濕度模塊。故不能精準(zhǔn)、全面的測量土壤溫濕度及其他有關(guān)數(shù)據(jù)。對此問題，后續(xù)將會深入研究，采用YL-69濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器等，測量土壤各方面數(shù)據(jù)，并爭取將該模擬系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際生活中。

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