基于STM32與物聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)的智能生態(tài)陽臺(tái)場景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊巍 劉倩 邱博

摘要：基于STM32單片機(jī)和云平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)lP技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能生態(tài)陽臺(tái)的場景。該場景可以通過手機(jī)APP端選擇陽臺(tái)所栽培植物的種類，并通過該場景中的環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)對(duì)陽臺(tái)的空氣溫濕度、土壤濕度、環(huán)境光照度、PM2.5等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)環(huán)境參數(shù)與所選植物的最適宜的生長環(huán)境差距較大時(shí)，可以通過場景內(nèi)的控制系統(tǒng)完成對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的控制，使得植物能夠始終保持在其最適宜的生長環(huán)境中。

關(guān)鍵詞：STM32；物聯(lián)網(wǎng)；1P技術(shù)；云平臺(tái)；智能生態(tài)陽臺(tái)

DOI：

10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.013

O 引言

如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶來的智能化產(chǎn)品，已經(jīng)慢慢的滲透進(jìn)人們的生活的方方面面。而隨著人們對(duì)智能家居的需求越來越高，人們會(huì)在生活中不斷的發(fā)現(xiàn)自己新的需求。

而隨著城市的生活節(jié)奏逐漸加快，越來越多的城市居民希望綠色生態(tài)能夠進(jìn)入自己的家中，人們開始更多的從生態(tài)角度考慮自己的生活方式，開始在陽臺(tái)上種植一些自己喜歡的花草等植物，然而對(duì)于工作壓力較大、經(jīng)常加班的上班一族，很容易忽略自己種植的作物的生長狀態(tài)，導(dǎo)致其得不到細(xì)心照料，難以正常生長甚至枯萎死亡。特別是對(duì)于那些上班出差一族來說，若是自己長時(shí)間在外出差，家中的花草更是得不到照料，難以正常生長。而本設(shè)計(jì)中提出的智能生態(tài)陽臺(tái)這一概念，能夠很好的解決以上問題，為城市加班和出差族們提供了在家庭中實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)的可能。

1 智能生態(tài)陽臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

1.1 智能生態(tài)陽臺(tái)的設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分的設(shè)計(jì)。硬件部分的設(shè)計(jì)包括，STM32外圍電路以及相關(guān)的傳感器、控制設(shè)備、WiFi模塊與STM32連接電路的設(shè)計(jì)：軟件部分的設(shè)計(jì)包括，STM32的軟件開發(fā)以及Android手機(jī)App的代碼編寫。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

在該場景的設(shè)計(jì)中，采用自行設(shè)計(jì)的一款土壤濕度傳感器，用來監(jiān)測陽臺(tái)所栽培的家居盆栽植物的土壤濕度狀態(tài)，并配以灌溉系統(tǒng)，從而達(dá)到自動(dòng)灌溉的目的：采用光照強(qiáng)度傳感器，監(jiān)測環(huán)境光的信息，并配以照明和窗簾控制系統(tǒng)，從而能夠智能調(diào)節(jié)陽臺(tái)光照強(qiáng)度在一個(gè)舒適的范圍內(nèi)：采用空氣溫濕度傳感器，對(duì)陽臺(tái)上的空氣溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測：采用PM2.5傳感器，用來對(duì)每天的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測：并配以開關(guān)窗的系統(tǒng)，對(duì)窗戶的開關(guān)進(jìn)行控制，從而給陽臺(tái)一個(gè)最適宜的環(huán)境。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用WiFi通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽臺(tái)上的環(huán)境和所有的控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測與操控。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中使用ST公司的STM32F103ZET6為主控芯片，并設(shè)計(jì)其最小系統(tǒng)電路，配合WiFi模塊、土壤濕度傳感器、人體熱釋電紅外傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、PM2.5等多種傳感器，結(jié)合水泵、步進(jìn)電機(jī)和LED補(bǔ)光燈等控制部件共同完成硬件部分的整體設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的整體電路如圖2所示。

電路原理圖中所涉及到的主要電路模塊詳細(xì)功能介紹如下。

（1）土壤濕度傳感器。經(jīng)過搜索發(fā)現(xiàn)對(duì)于植物土壤濕度的檢測，目前市面上大多數(shù)土壤濕度傳感器模塊不能準(zhǔn)確的檢測出土壤濕度信息，因此，為了更精確的采集土壤濕度信息，該設(shè)計(jì)中自行設(shè)計(jì)了一款土壤濕度傳感器。其電路原理圖如圖3所示。

在原理圖中可以看出，該設(shè)計(jì)使用STM32F03ZET6的AD轉(zhuǎn)換功能模塊，采用ADC3的通道12，同時(shí)通過DMA2的通道5采集‘out端電壓。對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)測和分析，可以得到傳感器采集電壓信號(hào)數(shù)據(jù)和土壤濕度值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖表，如下圖4所示。對(duì)比圖表，即可得出當(dāng)前的土壤濕度值。

（2） ESP8266 WiFi模塊。該模塊的特點(diǎn)是成本低、使用簡便、功能強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)中采用STM32的串口通信，并使用ESP8266串口轉(zhuǎn)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信，將通過網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過串行口發(fā)送給STM32單片機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時(shí)通過WiFi模塊將智能生態(tài)陽臺(tái)系統(tǒng)接入到機(jī)智云的云端服務(wù)器，為系統(tǒng)提供了遠(yuǎn)程控制的解決方案。

（3）空氣質(zhì)量傳感器（PM2.5傳感器）?？諝赓|(zhì)量模塊我們選擇了光學(xué)灰塵傳感器（GP2Y1014AUOF）灰塵傳感器，檢測空氣質(zhì)量來提示用戶，當(dāng)空氣PM2.5高時(shí)還可以通過STM32控制器控制減速步進(jìn)電機(jī)來關(guān)閉窗簾，為用戶提供更加安全的居住環(huán)境。

（4）光照強(qiáng)度傳感器BH1 750FVI。BH1750FVI是一種使用12C總接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強(qiáng)度變化（0-65535 Ix）。在設(shè)計(jì)中用于檢測環(huán)境光照亮度，并依據(jù)光照亮度調(diào)節(jié)窗簾及作為照明燈自動(dòng)控制的條件。

（5）熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器?？紤]到晚上可能會(huì)有人進(jìn)入陽臺(tái)，該系統(tǒng)中使用熱釋電人體紅外傳感器來感應(yīng)有無人出現(xiàn)。根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度和人體感應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而自動(dòng)控制照明燈的亮滅。

（6）系統(tǒng)的時(shí)間。本設(shè)計(jì)中提供了兩種時(shí)間模式： “本地時(shí)間模式”和“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間模式”。 “本地時(shí)間模式”使用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302，DS1302是SPI接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒七位計(jì)時(shí)功能，可以保證設(shè)備斷電后時(shí)間信息的精確性：

“網(wǎng)絡(luò)模式”則通過從云服務(wù)器上的NTP協(xié)議獲取UTC時(shí)間，該模式能夠省去手動(dòng)設(shè)置日期時(shí)間的繁瑣，也能保證時(shí)鐘的同步性和精確性。

通過以上模塊的協(xié)作，我們將各模塊收集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)與手機(jī)APP端進(jìn)行通信，為用戶提供遠(yuǎn)程可管理的綠色環(huán)保多功能化的陽臺(tái)場所，為用戶節(jié)約時(shí)間，讓生活更高效與便捷，提高人們的生活質(zhì)量。智能生態(tài)陽臺(tái)的硬件實(shí)物圖如圖5所示。

2.3 智能生態(tài)陽臺(tái)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以Android操作系統(tǒng)為平臺(tái)開發(fā)了與系統(tǒng)硬件設(shè)備對(duì)應(yīng)的，名為“智能生態(tài)陽臺(tái)”的手機(jī)APP，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控陽臺(tái)信息的功能。APP界面上有“水泵模式”、 “照明燈模式”以及“窗簾模式”的“自動(dòng)”與“手動(dòng)”的選擇，還有“植物種類”、 “當(dāng)前月份信息”，用戶可以通過APP設(shè)置窗簾的開合度、植物的喜好濕度以及光照強(qiáng)度，同時(shí)也可以通過APP實(shí)時(shí)了解到當(dāng)前陽臺(tái)中空氣質(zhì)量、溫度、濕度以及土壤濕度等信息。這樣一來，即使用戶不在家也能了解自家陽臺(tái)情況，使用戶生活更高效。APP操作界面如下圖6（a）和圖6（b）所示。

3 設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)在普通陽臺(tái)的基礎(chǔ)上加入了許多新穎的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)理念：

（1）植物適宜的土壤濕度和光照強(qiáng)度會(huì)根據(jù)植物的種類和當(dāng)前的月份結(jié)合該植物的生長習(xí)性通過我們設(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，用戶只需要種植時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的植物種類即可，而對(duì)于APP上沒有的植物類型用戶還可以將植物類型設(shè)置為“自定義”，并自定義設(shè)置相應(yīng)數(shù)據(jù)。

（2）照明燈光可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境光照強(qiáng)度和有沒有人在陽臺(tái)，自動(dòng)控制照明燈的開啟與關(guān)閉。

（3）窗簾可以根據(jù)當(dāng)前的空氣質(zhì)量和光照強(qiáng)度自動(dòng)打開與關(guān)閉，從而為用戶和植物提供更舒適地環(huán)境。

4 結(jié)論

在現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)浪潮鋪面而來的時(shí)代，擁有—座自己的自動(dòng)化、智能化的家居環(huán)境是當(dāng)代居家客們的普遍追求，因此，本設(shè)計(jì)從這一點(diǎn)出發(fā)，在自家的陽臺(tái)上打造一個(gè)低成本、以實(shí)現(xiàn)的“智能生態(tài)陽臺(tái)”場景，把陽臺(tái)變得智能化，激起人們對(duì)生活的熱愛。將真正的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地，應(yīng)用在生活中最常用的場景。本文中提出的智能生態(tài)陽臺(tái)的場景，希望能為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的的智能家居浪潮，進(jìn)行部分場景實(shí)現(xiàn)的探索并提供一定的參考價(jià)值。

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