基于家居智能服務(wù)體系的植物養(yǎng)護(hù)者

葛志斌，吳旭

（沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159）

1 引言

如今社會(huì)生活節(jié)奏加快，一場(chǎng)說走就走的旅行成為新一代年輕人的主潮流，但是一些煩瑣的事物往往牽絆了人們的雙腳，如澆花、養(yǎng)魚等。為了解綁現(xiàn)代人的雙腳，滿足人們對(duì)旅行的需求，增加人們生活的樂趣，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生，智能澆花系統(tǒng)不僅能夠幫助人們解決按時(shí)澆花的問題，還有效地促進(jìn)了家養(yǎng)植物的茁壯生長(zhǎng)。

2 澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件部分包括一個(gè)STM32主控中心、兩個(gè)STM32智能終端控制器、Arduino小車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、Wi-Fi無線傳輸模塊以及多種傳感器。

濕度傳感器將采集到的濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32終端控制器，通過Wi-Fi模塊將濕度數(shù)據(jù)傳給STM32主控中心，如果濕度值低于設(shè)定值，就向澆水小車發(fā)送澆水信號(hào)。小車上的液位傳感器會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱水位，并與終端同步，若水位較低則啟動(dòng)小車至水閥處請(qǐng)求加水，若水量充足則直接至植物處澆水。當(dāng)土壤濕度滿足要求時(shí)，主控模塊發(fā)送停止?jié)菜盘?hào)，小車關(guān)閉水閥，并返回原地。

整個(gè)系統(tǒng)由6個(gè)模塊構(gòu)成，分別為：程序下載與在線調(diào)試端口模塊、電源及其輸入輸出接口模塊、STM32串口模塊、定時(shí)器中斷(通用定時(shí)器)模塊、STM32的ADC模塊和三種傳感器元件。它們以STM32f103開發(fā)板為中心，以Wi-Fi232模塊為信號(hào)交換中心，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)與流程

3.1 土壤觀測(cè)節(jié)點(diǎn)濕度監(jiān)測(cè)

當(dāng)土壤傳感器感受到土壤干濕度的變化時(shí)，通過AD轉(zhuǎn)換出的電位的變化經(jīng)ARM控制板與預(yù)設(shè)的電壓閥值作比較，監(jiān)測(cè)值低于閥值時(shí)，控制板發(fā)送信號(hào)到Wi-Fi模塊，通過簡(jiǎn)易通信協(xié)議向主控單元模塊發(fā)送澆水信號(hào)。

3.2 “護(hù)花使者”液位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和運(yùn)載

節(jié)點(diǎn)接收到主控單元模塊發(fā)送的澆水請(qǐng)求信號(hào)后，ARM控制板則將液位傳感器傳送的數(shù)字信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的閥值對(duì)比。若液位的電位信號(hào)高于閥值則發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)給Arduino板，開啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過紅外循跡指示小車將水運(yùn)輸?shù)交ㄅ杼?。到達(dá)目的地，關(guān)閉電機(jī)。接著發(fā)送澆灌信號(hào)控制水閥以滴灌的方式予以澆水。若液位的信號(hào)低于閥值則向Ardunio板發(fā)送缺水信號(hào)和啟動(dòng)信號(hào)，開啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)，指示小車開往加水處。到達(dá)加水處之后，小車的ARM控制板通過簡(jiǎn)易傳輸協(xié)議向主控單元模塊發(fā)送加水信號(hào)。

3.3 主控單元模塊接收和發(fā)布信號(hào)

主控單元模塊設(shè)置在加水處，從啟動(dòng)程序開始，便一直請(qǐng)求和接收土壤濕度數(shù)據(jù)并通過I/O口發(fā)送至LCD屏予以實(shí)時(shí)顯示土壤濕度情況。當(dāng)主控單元接收到請(qǐng)求信號(hào)后，通過ARM控制板進(jìn)行濕度與閥值的比較，若濕度低于閥值則向液位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布澆水信號(hào)，同時(shí)請(qǐng)求小車水箱的液位數(shù)據(jù)。接收到的液位信號(hào)低于預(yù)設(shè)閥值時(shí)，向液位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)布加水信號(hào)。若主控單元模塊收到液位監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的加水信號(hào)則打開水閥，予以加水。此時(shí)，假如收到小車Wi-Fi模塊發(fā)送來的停止加水信號(hào)，則關(guān)閉水閥，再次等待土壤濕度數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試與誤差分析

為了小車能夠正確循跡到達(dá)盆栽處，需要不斷搜集和更新軌道信息。在此次設(shè)計(jì)中，采用了紅外感應(yīng)作為循跡元件。因?yàn)樗玫氖羌t外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，為了避免信號(hào)發(fā)生誤讀，所以在多次測(cè)試之后，選擇色差最大的黑白作為軌跡來使紅外傳感器識(shí)別，最終使小車能夠較為準(zhǔn)確地循跡運(yùn)水。

5 結(jié)論

基于無線網(wǎng)絡(luò)的家庭植物看護(hù)者，是以家庭園藝養(yǎng)護(hù)為前提的研究，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。為了突出監(jiān)控信息無線傳輸、滿足全方位向光性需求和全自動(dòng)智能補(bǔ)給水的三大特點(diǎn)，相關(guān)研究人員對(duì)基于無線網(wǎng)絡(luò)的家庭植物看護(hù)者的硬件部分，包括采集端、控制端、網(wǎng)關(guān)三個(gè)部分進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。首先在嵌入式處理器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了土壤傳感器、液位傳感器、紅外傳感器，充分滿足系統(tǒng)的信息采集要求；擴(kuò)展了無線Wi-Fi模塊，在物理層面上擴(kuò)大了控制范圍，更具簡(jiǎn)易性。另外加入自主設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單協(xié)議，避免了信息同時(shí)傳輸?shù)臎_突；擴(kuò)展RS232口，下載程序用于調(diào)試。擴(kuò)展了LCD輔助顯示系統(tǒng)接口，可以輕松地進(jìn)行圖像、文字顯示。

本作品基于STM32和Arduino板為控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)、控制、空間運(yùn)載等功能，通過Wi-Fi定義控制節(jié)點(diǎn)并提供了可靠的分布式網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)的家居智能電子設(shè)備的信息交互。在家居看護(hù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制之下，通過軟件及硬件相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)制，對(duì)所有連接到智能看護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制。整個(gè)設(shè)計(jì)以無線通訊作為控制方式、嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)軟、硬件的裁剪以及擴(kuò)展，為人們實(shí)現(xiàn)便捷的、舒適的、網(wǎng)絡(luò)化的生活提供了有效的解決方案。