家庭園藝智能控制器設(shè)計(jì)

王堯 何鵬 李帥祺 胡純純 丁嘉

【摘 要】文章根據(jù)家庭園藝環(huán)境需求，借助單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能家庭園藝控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度的測(cè)量，并在測(cè)量基礎(chǔ)上借助模糊控制理論啟動(dòng)執(zhí)行器對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)可以達(dá)到預(yù)期要求。

【關(guān)鍵詞】智能家庭園藝;模塊化設(shè)計(jì);模糊控制;傳感器

中圖分類號(hào)： S688 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）24-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.012

1 背景

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾生活水平的提高，越來(lái)越多的人開始關(guān)注家庭園藝，期望通過(guò)這種方式營(yíng)造更加宜人的生活環(huán)境，舒緩壓力，增加家庭中的自然氣息和生活情趣。所謂家庭園藝是指在居室內(nèi)、陽(yáng)臺(tái)、屋頂、露臺(tái)或庭院等空間范圍內(nèi)從事園藝植物栽培和裝飾的活動(dòng)。傳統(tǒng)的家庭園藝需要投入大量的額外時(shí)間和精力，但大部分家庭園藝愛好者對(duì)植物基本養(yǎng)護(hù)知識(shí)知之甚少，對(duì)植物生長(zhǎng)習(xí)性和環(huán)境因子估計(jì)不足，尤其是面對(duì)多種不同來(lái)源的植物時(shí)，養(yǎng)護(hù)隨意性很強(qiáng)，再加上工作繁忙，造成很多植物的生長(zhǎng)達(dá)不到預(yù)期狀態(tài)，甚至造成不必要的損失，浪費(fèi)了很多時(shí)間、精力和金錢。從農(nóng)業(yè)角度看來(lái)，家庭園藝屬于微農(nóng)業(yè)范疇，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外受到很大關(guān)注，部分國(guó)家和企業(yè)也推出了一些產(chǎn)品，但這些智能化產(chǎn)品大多面向規(guī)?；闹悄芊N植，設(shè)備成本較高，并不適合家庭環(huán)境，因此開發(fā)一種較為經(jīng)濟(jì)的家庭園藝智能控制器很有必要。

2 系統(tǒng)功能規(guī)劃與硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

該智能控制器系統(tǒng)主要功能是采集環(huán)境因子信息、對(duì)采集信息進(jìn)行分析顯示、根據(jù)預(yù)設(shè)模式控制外部設(shè)備進(jìn)行環(huán)境干預(yù)等。因此該系統(tǒng)主要包括環(huán)境因子采集器、智能控制器和執(zhí)行器三部分。其中環(huán)境因子采集器主要負(fù)責(zé)采集光照、空氣溫濕度、土壤濕度等信息;控制器主要負(fù)責(zé)對(duì)采集信息的信息搜集與分析并做出決策，并指導(dǎo)執(zhí)行器進(jìn)行環(huán)境干預(yù);執(zhí)行器包括開關(guān)、控制閥、繼電器等，用于在控制器指揮下通過(guò)閥門和開關(guān)，進(jìn)行滴灌、噴霧、補(bǔ)光等作業(yè)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

2.2.1 STM32芯片

本系統(tǒng)采用STM32為核心，該單片機(jī)為STC公司成熟產(chǎn)品之一，可用于收集傳感器提供的環(huán)境信息并進(jìn)行深入分析，也可以連接各種外設(shè)將信息及時(shí)表達(dá)出來(lái)。

2.2.2 光敏傳感器與補(bǔ)光燈

光照信息采集電路采用GL5528光敏電阻為傳感器，可對(duì)光譜峰值為540nm的光線進(jìn)行測(cè)量，10Lux下亮電阻為10-20KΩ，暗電阻約為1MΩ，可在環(huán)境溫度為-30～70℃環(huán)境下工作。將光敏電阻與一固定阻值電阻串聯(lián)，將節(jié)點(diǎn)電壓分壓轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)ADC口即可根據(jù)檢測(cè)到的模擬電壓對(duì)當(dāng)前光照情況進(jìn)行分析判斷。當(dāng)光照強(qiáng)度過(guò)弱時(shí)，打開補(bǔ)光燈實(shí)施補(bǔ)光。也可以根據(jù)植物生長(zhǎng)需要，實(shí)施連續(xù)強(qiáng)制補(bǔ)光。補(bǔ)光燈所采用的顏色以滿足植物生長(zhǎng)需要，波長(zhǎng)為640～660nm的紅光和波長(zhǎng)為430～450nm的藍(lán)紫光為主。

2.2.3 空氣溫濕度傳感器

溫濕度信息來(lái)自于AM2301型空氣溫濕度傳感器，該傳感器采用單總線傳送方式，供電電壓為5V，可以2s/次的刷新率對(duì)-40-80℃范圍內(nèi)的溫度信息和RH 10-90%的濕度信息進(jìn)行可靠檢測(cè)。當(dāng)空氣濕度過(guò)低時(shí)，噴霧提示燈將閃爍，提示用戶及時(shí)噴霧補(bǔ)水。

2.2.4 二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳信息來(lái)自于MG811二氧化碳傳感器，該傳感器采用固態(tài)電解質(zhì)電池原理測(cè)量二氧化碳，受空氣溫濕度的影響較小，年漂移量預(yù)期只有20PPM，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，對(duì)二氧化碳有著良好的靈敏性，無(wú)需校準(zhǔn)，性價(jià)比高，適合對(duì)價(jià)格要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2.5 土壤濕度傳感器

土壤濕度信息使用四線制土壤濕度傳感器感應(yīng)獲得，其接口電路如圖2所示。其中RP即為土壤濕度傳感器，該傳感器與固定電阻R2串聯(lián)，分壓結(jié)果通過(guò)比較起比較后上拉輸出。RP1可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)閾值。同時(shí)分壓結(jié)果也可以直接進(jìn)ADC以便獲得更精確的土壤濕度信息。如土壤濕度過(guò)低，系統(tǒng)將啟動(dòng)滴灌控制閥，通過(guò)滴灌方式向土壤實(shí)施補(bǔ)水操作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思路

當(dāng)上電后，系統(tǒng)工作流程首先完成各模塊及芯片的初始化，接著依次進(jìn)行各環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過(guò)比對(duì)設(shè)置參數(shù)判斷是否執(zhí)行控制模塊動(dòng)作對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，最后OLED實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，最后圖3為系統(tǒng)主函數(shù)流程。

3.2 控制相關(guān)算法

由于環(huán)境控制測(cè)量因素較多，且部分因素存在較明顯的非線性，系統(tǒng)的控制精度要求并不嚴(yán)格，因此考慮使用簡(jiǎn)單的模糊控制算法。

模糊控制算法就是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的一種非線性控制算法，這種算法的優(yōu)點(diǎn)是不需要為控制對(duì)象建立起精確的數(shù)學(xué)模型而是利用項(xiàng)目工作人員的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)和大量數(shù)據(jù)匯總而成的語(yǔ)言控制規(guī)則，并將其轉(zhuǎn)化為可編輯的多變量模糊控制器。

4 測(cè)試情況

表1為測(cè)量數(shù)據(jù)，并于測(cè)量?jī)x測(cè)得數(shù)據(jù)比較，分析可知系統(tǒng)測(cè)得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)濃度誤差都在±5%RH以內(nèi)，溫度誤差最大在±1℃左右。均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 總結(jié)

文章設(shè)計(jì)了基于STM32的智能家庭園藝控制系統(tǒng)，通過(guò)OLED實(shí)時(shí)測(cè)量顯示出空氣溫濕度、土壤濕度和CO2濃度四項(xiàng)參數(shù)，可向家庭園藝愛好者提供直觀數(shù)據(jù)，以便其對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行干預(yù)，同時(shí)也具備一定的智能功能，可在用戶外出等情況下對(duì)家庭園藝（花圃）實(shí)施自動(dòng)管理，節(jié)約人力，有利于提高家庭園藝種植的成功率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陽(yáng)領(lǐng).基于單片機(jī)的智能家居加濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技風(fēng)，2018（27）：155.

[2]季寶杰，鄒彩虹，王永田.基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2007（01）：73-75+105.

[3]谷沛尚，田芳明，常永新，趙欣宇，郭德占，趙琛，那陽(yáng).基于STM32單片機(jī)的作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2017（30）：43+45.

[4]李萌，孫鐵波，胡磊.多目標(biāo)溫室測(cè)控系統(tǒng)模糊控制算法的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電技術(shù)，2013（5）：48-49.