基于STM32的智能盆栽遠(yuǎn)程監(jiān)控澆水裝置設(shè)計(jì)

朱定林　譚玉枚　周曉春

【摘 要】針對(duì)日常生活中人們熱衷于盆栽種植但又因工作繁忙而忘記澆水導(dǎo)致盆栽枯死的問題，本文提出采用STM32作為系統(tǒng)主控芯片，構(gòu)建一個(gè)“手機(jī)APP+現(xiàn)場(chǎng)傳感器控制”的智能監(jiān)控種植系統(tǒng)。通過對(duì)指定植物種植環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌、調(diào)整光照、遠(yuǎn)程告警及無線監(jiān)控等功能，最終實(shí)現(xiàn)盆栽智能種植，為盆栽種植愛好者提供便利。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】STM32單片機(jī);現(xiàn)場(chǎng)傳感器控制;智能澆水

中圖分類號(hào)： S688;TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）31-0007-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.31.003

The Design of a Remote Monitoring Watering Potted System Based on STM32

ZHU Ding-lin TAN Yu-mei* ZHOU Xiao-chun

（School of information and communication engineering， hezhou university， Hezhou Guangxi 542899， China）

【Abstract】With the problem that more people are keen on pot planting in daily life but no time to take care of them， the paper implements intelligent monitoring and planting system by taking STM32 as the main control chip? to construct an of "mobile phone app + field sensor control ". Through the statistical analysis of the temperature and humidity of the designated plant， the functions of automatic watering， adjusting illumination， remote alarming and wireless monitoring can be realized， which can provide convenience for pot planting enthusiasts by the intelligent planting design. The result shows that this design meets the advantages of simplicity， practicability and reliability.

【Key words】STM32; Field sensor control; Intelligent watering

隨著人們的生活質(zhì)量的逐步提高，人們對(duì)居住環(huán)境也有了更高的追求[1]。當(dāng)前，盆栽隨處可見，無論是辦公裝飾、餐廳布局還是家庭擺設(shè)，都成了大部分人生活不可或缺的一部分，尤其諸如多肉植物類的盆栽廣受女士的喜愛，但如何種植護(hù)理卻成了一個(gè)難題。此外，養(yǎng)殖花草成敗的關(guān)鍵在于盆栽的澆水量和給予的光照強(qiáng)度是否適時(shí)適量，需要費(fèi)心費(fèi)時(shí)去呵護(hù)花草。近年來，市場(chǎng)上有許多類型的自動(dòng)澆花裝置，澆水方式還是采用傳統(tǒng)的雨幕式澆花，不僅浪費(fèi)水，而且還非常浪費(fèi)水資源[2].因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)盆栽土壤濕度，還能根據(jù)濕度進(jìn)行自動(dòng)澆水等操作，保證土壤濕度以適應(yīng)植物的生長(zhǎng)環(huán)境的智能盆栽裝置，具有非常實(shí)用的意義[3-4]。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目通過構(gòu)建一個(gè)“手機(jī)APP+現(xiàn)場(chǎng)傳感器控制”的智能監(jiān)控種植系統(tǒng)，對(duì)指定植物種植環(huán)境的溫度、濕度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)澆灌、光照調(diào)整、遠(yuǎn)程告警及無線監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)智能種植。智能盆栽種植監(jiān)控系統(tǒng)由七個(gè)模塊組成，包括主控制器模塊、溫度模塊、濕度模塊、灑水模塊、攝像頭模塊、無線模塊和日光模 塊。針對(duì)不同的花卉，設(shè)計(jì)了個(gè)性化專屬控制方式：第一種是手動(dòng)控制模式，用戶只需調(diào)節(jié)所需的模式就可以按照設(shè)定周期進(jìn)行澆水，還可以自定義控制進(jìn)水量;第二種是利用濕度傳感器檢測(cè)盆栽的濕度，當(dāng)土壤濕度較低時(shí)，主控制器會(huì)在出現(xiàn)低值超過6小時(shí)候做出響應(yīng)，進(jìn)行水分的補(bǔ)償，當(dāng)土壤濕度較高時(shí)，水分過多將會(huì)發(fā)送停止信號(hào)到主控制器模塊，主控制器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理判斷，若水份飽和度超出設(shè)定閾值，立即斷開灑水模塊對(duì)花盆水源的供應(yīng);第三種利用手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送定時(shí)定量澆水控制命令，盆栽通過無線模塊ESP8666連接到云端上，當(dāng)盆栽主控制器通過無線模塊訪問到云端有控制指令下達(dá)濕，將按照云端指令解析后，控制灑水模塊進(jìn)行開閥澆花，達(dá)到設(shè)定量時(shí)關(guān)閉閥門。此種方式面向不同的花卉，可以在APP端自主選擇不同品種的植物，每種植物都設(shè)定了不一樣的種植環(huán)境，方便不同盆栽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，提高了盆栽的多樣性處理，體現(xiàn)了系統(tǒng)的智能特性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)各部分硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無線模塊設(shè)計(jì)

無線模塊采用安信可ESP8266-12F模塊，主要實(shí)現(xiàn)了云端和盆栽終端的通信。手機(jī)端發(fā)送控制指令后在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給盆栽終端的無線模塊，無線模塊接收到指令后，把指令通過串口通信的方式發(fā)送給主控制器，主控制器接收到指令后驅(qū)動(dòng)灑水模塊進(jìn)行水分的補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)了手機(jī)遠(yuǎn)程控制。無線模塊原理圖如圖2所示。

圖2 無線模塊電路圖

2.2 DC-DC電路設(shè)計(jì)

該DC-DC降壓電路將5V降到3.3V，若采用普通的三端穩(wěn)壓管，第一體積過大，不便于布局電路和安裝，第二就是輸出電流小，達(dá)不到要求。因此該電路在體積上比較小，易安裝和在PCB上的布局，而且輸入輸出壓差比較小，所以損耗小發(fā)熱量也小。

圖3 DC-DC電路圖

3 建立開放性實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生參與老師的科研工作

3.1 系統(tǒng)主程序

智能盆栽種植監(jiān)控系統(tǒng)主要是在主控制器的控制下，對(duì)無線模塊接收到的指令進(jìn)行解析，進(jìn)而控制灑水模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制出水閥，以達(dá)到控制出水量，實(shí)現(xiàn)智能種植的目的。智能盆栽種植監(jiān)控系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示[5]。

圖4 主程序流程圖

3.2 無線傳輸程序設(shè)計(jì)

無線模塊主要采用TCP/IP的協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，通過TCP協(xié)議連接到云端，采用GET的方式獲取云端狀態(tài)，以POST的方式上傳盆栽當(dāng)前的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)回饋快照到云端供移動(dòng)APP端查看植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。

（1）通信協(xié)議：電壓3.3VDC，波特率4800，1個(gè)起始位，2 個(gè)停止位，無校驗(yàn)位，半雙工方式;每幀字節(jié)發(fā)送間隔為4ms;幀頭為0x55AA;校驗(yàn)方式為前n項(xiàng)總和;取低八位后加上第n+1項(xiàng)校驗(yàn)碼。

（2）不同類型數(shù)據(jù)幀格式：ID+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)。

主要控制命令及功能如下：

0x55aa 0x07 0x01 0x01 0x01 0x02：開機(jī);

0x55aa 0x07 0x01 0x01 0x00 0x01：關(guān)機(jī);

0x55aa 0x07 0x02 0x01 0x01 0x03：自動(dòng)看護(hù);

0x55aa 0x07 0x02 0x01 0x00 0x02：手動(dòng)看護(hù);

0x55aa len 0xFF datalen ndata checksum：上傳所有狀態(tài)到云端。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)上電后進(jìn)入第二種控制模式，無線模塊進(jìn)入Smartconfig配網(wǎng)模式等待用戶配網(wǎng)。用戶配網(wǎng)成功后，盆栽上網(wǎng)絡(luò)指示燈亮起，測(cè)試無線模塊狀態(tài)反饋結(jié)果正常。此時(shí)在APP端設(shè)定自定義種植護(hù)理模式，盆栽收到回復(fù)并且顯示當(dāng)前的工作模式，并可查看APP端頁(yè)面顯示的盆栽植物生長(zhǎng)狀態(tài)，狀態(tài)反饋正常，土壤濕度、環(huán)境溫度、光照亮度、灑水機(jī)狀態(tài)、植物快照回饋圖像等都正常。經(jīng)過測(cè)試時(shí)長(zhǎng)48小時(shí)后發(fā)現(xiàn)，無線模塊無離線進(jìn)入假死狀態(tài)，期間模塊出現(xiàn)掉線重連次數(shù)不超過5次。手控模式調(diào)節(jié)灑水模塊，回饋數(shù)據(jù)正常，土壤濕度、環(huán)境溫度也相應(yīng)地反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到盆栽顯示器，同時(shí)無線模塊也同步了數(shù)據(jù)到云端，APP拉取數(shù)據(jù)成功，拉取數(shù)據(jù)延時(shí)時(shí)間平均300ms。自動(dòng)控制模式，測(cè)試時(shí)長(zhǎng)24小時(shí)，土壤濕度曲線按照設(shè)定值運(yùn)行，誤差在±5%。同時(shí)環(huán)境溫度等也反饋同步。

5 總結(jié)

該系統(tǒng)采用了三種控制方式：手動(dòng)控制模式，傳感器檢測(cè)模式和無線控制模式，針對(duì)不同的植物對(duì)用戶提供多種護(hù)理方案，對(duì)盆栽進(jìn)智能定時(shí)定量澆水。當(dāng)盆栽土壤濕度和光照量達(dá)到一定值時(shí)，澆水系統(tǒng)和光照系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)給或停止補(bǔ)給。利用通信模塊的終端隨時(shí)隨地地控制和管理植物的生長(zhǎng)狀況，讓盆栽的種植更加科學(xué)、高效。此外，采用DC-DC降壓電路將5V降到3.3V，降低了電源電壓功耗，達(dá)到更有性能。最后，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用、智能、人性化，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻(xiàn)】

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