基于家居智能服務(wù)體系的植物養(yǎng)護(hù)者

葛志斌 吳旭

【摘 要】隨著Internet、大數(shù)據(jù)以及5G技術(shù)的發(fā)展，智能化、自主化設(shè)備將成為智能家居的重要組成，滿足人們對(duì)舒適、高效、便捷家居生活的追求。為創(chuàng)造一個(gè)更加便捷、智能、自由的家居生活，智能家居設(shè)備有著廣闊的應(yīng)用前景，在不久的將來并將引發(fā)新一輪的革命，論文主要介紹了一種基于家居智能服務(wù)體系的植物養(yǎng)護(hù)者。

【Abstract】With the development of internet， big data and 5G technology， intelligent and autonomous devices will become an important component of smart home to meet people's pursuit of comfortable， efficient and convenient home life. In order to create a more convenient， intelligent and free home life， smart home appliances have broad application prospects and will bring a new round of revolution in the near future. The paper mainly introduces a kind of plants caregivers that based on the intelligent server system of household.

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；5G；智能家居；分布式組網(wǎng)；無線通信

【Keywords】 internet of things； 5G； smart home； distributed networking； wireless communication

【中圖分類號(hào)】TP311 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）03-0129-02

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。