基于Python和Arduino的智能花盆系統(tǒng)

楊吉云　徐乾淏　沈蓮　章曉敏

摘要：智能花盆作為智能家居的一員，本質(zhì)上是花盆，但融入嵌入式技術(shù)，在一定程度上活化了普通花盆，使其擁有自動(dòng)照料盆栽的能力。本文利用盆栽生長(zhǎng)習(xí)性的知識(shí)，結(jié)合專業(yè)能力，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于Python和Arduino的智能花盆系統(tǒng)。依靠Arduino獲取傳感器采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給樹(shù)莓派進(jìn)行處理，樹(shù)莓派通過(guò)Socket通信傳輸給服務(wù)器后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，基于Python的Django web框架網(wǎng)頁(yè)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)使其可視化。用戶可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)登錄賬號(hào)，遠(yuǎn)程控制花盆配置各類參數(shù)。

Abstract： As a member of smart home， smart flowerpots are essentially flowerpots， but they incorporate embedded technology to activate ordinary flowerpots to a certain extent， so that they have the ability to automatically care for potted plants. In this paper， we use the knowledge of pot growth habits and professional ability to design and implement a smart flowerpot system based on Python and Arduino. It relys on the Arduino to acquire the sensor， collect the data and send it to the raspberry pie for processing. The raspberry pie transmits the data to the server back-end database through Socket communication. The Python-based Django web framework page obtains the data in the database for visualization. The user can log in to the account through the webpage and remotely control the flowerpot to configure various parameters.

關(guān)鍵詞：嵌入式;Python;Arduino;樹(shù)莓派;智能花盆

Key words： embedded;Python;Arduino;raspberry pie;smart flowerpot

中圖分類號(hào)：S688? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）35-0180-02

1? 研究?jī)?nèi)容

隨著社會(huì)進(jìn)步，人們生活質(zhì)量的提高，種植盆栽不止可以陶冶情操、豐富生活，也可吸收二氧化碳，凈化空氣。盆栽澆水是否適量，是成敗的關(guān)鍵，而市面上的自動(dòng)澆灌器，它實(shí)現(xiàn)的只是按照設(shè)定的時(shí)間毫無(wú)感知地澆水。

因此，本文主要研究制作基于Arduino的智能花盆，通過(guò)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)，科學(xué)地照料植物，使不懂照料植物的人也能體驗(yàn)盆栽樂(lè)趣。為此提出智能花盆解決方案，主要有：研究現(xiàn)有智能花盆工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，確定系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。②進(jìn)行目標(biāo)機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建。為便于開(kāi)發(fā)和調(diào)試，目標(biāo)機(jī)搭建了Linux系統(tǒng)并配置了Python Django環(huán)境。③基于Django框架MVT，M構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)模型，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取樹(shù)莓派發(fā)送的數(shù)據(jù)，V和T將數(shù)據(jù)庫(kù)中的植物數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)可視化。④系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。包括各模塊功能實(shí)現(xiàn)及Socket通信實(shí)現(xiàn)。⑤完成整體系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試。包括自動(dòng)澆灌、自動(dòng)光照、Socket通信等功能調(diào)試。

2? 功能規(guī)劃

整體功能包括上位機(jī)網(wǎng)頁(yè)端和下位機(jī)智能花盆端兩個(gè)模塊。

2.1 上位機(jī)（基于Python的web網(wǎng)頁(yè)端）

終端（手機(jī)端或電腦端）是基于Python開(kāi)發(fā)的web網(wǎng)頁(yè)端。

用戶可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端界面實(shí)現(xiàn)連接與控制，提供盆栽數(shù)據(jù)而控制智能花盆的各種功能，當(dāng)花盆連接成功后可獲取盆栽生長(zhǎng)環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

主界面分4個(gè)模塊， 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸保存模塊為我的植物”， 手動(dòng)養(yǎng)殖中的澆水控制模塊為“水分”， 養(yǎng)殖中的光照制鍵為“光照”模塊，“自動(dòng)”模塊是自動(dòng)養(yǎng)殖控制鍵，“設(shè)置”模塊可設(shè)置植物名稱及生長(zhǎng)條件。

2.2 下位機(jī)

智能花盆下位機(jī)核心以樹(shù)莓派主控板，使用Arduino可以讀取不同傳感器的各個(gè)數(shù)據(jù)，與連接水泵的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制相相連，可以智能的根據(jù)不同傳感器傳回的數(shù)據(jù)做出加水、自動(dòng)補(bǔ)光等響應(yīng)的操作;用戶也可通過(guò)web端使智能花盆執(zhí)行相應(yīng)操作。并能夠?qū)⒁勋@得的傳感器數(shù)據(jù)回傳到上位機(jī)存儲(chǔ)進(jìn)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

3? 系統(tǒng)硬件組成

該智能花盆系統(tǒng)由上位機(jī)web網(wǎng)頁(yè)端和下位機(jī)智能花盆兩大部分組成，智能花盆主要由樹(shù)莓派、Arduino微控模塊、傳感器（土壤濕度、空氣溫濕度、光照等傳感器）、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、水泵、發(fā)光LED軟燈帶條等。

3.1 樹(shù)莓派

樹(shù)莓派是一種基于ARM的微型電腦主板，他本身具有諸多功能，選用樹(shù)莓派用Python編寫(xiě)代碼來(lái)獲取Arduino傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)進(jìn)服務(wù)器的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，它集成WIFi、藍(lán)牙模塊、USB接口等眾多元件，它相當(dāng)與一臺(tái)微型電腦。

3.2 Arduino微控模塊

Arduino是一款采用開(kāi)放源代碼的軟硬件平臺(tái)，并且方便上手，他是基于簡(jiǎn)易輸出界面板，它的使用類似Java、C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

本文選用基于Arduino主控板，它本身具有各種芯片，采用方便編寫(xiě)的編程方式。主控板可通過(guò)連接不同傳感器以及驅(qū)動(dòng)等設(shè)備，并通過(guò)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同部件的相關(guān)功能。

3.3 傳感器

3.3.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器可檢測(cè)土壤的溫濕度，導(dǎo)電性能高，使用壽命長(zhǎng)，檢測(cè)范圍廣，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)控制數(shù)值，簡(jiǎn)單方便，工作穩(wěn)定，設(shè)固定螺栓孔，便于安裝。

3.3.2 光照傳感器

光照傳感器采用3-5V直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電，低電平的數(shù)字輸出信號(hào)。對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)力強(qiáng)，數(shù)字輸出，測(cè)量精度高，模塊內(nèi)部包括通信電平轉(zhuǎn)換，能夠與5V單片機(jī)IO直接連接。

3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用L298N作為主驅(qū)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn);穩(wěn)定性高，價(jià)格便宜，能夠接收Arduino主控模塊的信息，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行。

3.5 水泵

微型水泵的密封性好，自帶12V變壓器電源，簡(jiǎn)單方便，將水泵連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊后，可以直接通過(guò)接收的信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)的補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)給植物澆水。

3.6 發(fā)光LED軟燈帶條

發(fā)光LED軟燈帶條，價(jià)格實(shí)惠，電光轉(zhuǎn)化率高，散熱合理，使用壽命長(zhǎng)，可根據(jù)自己需求剪裁長(zhǎng)度，也可根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行自身亮滅，從而達(dá)到給植物的自動(dòng)補(bǔ)光。

4? socket通信實(shí)現(xiàn)

Socket 用于在基于TCP/IP 協(xié)議的應(yīng)用程序間互相通訊;客戶端和服務(wù)器端是兩個(gè)基本的概念。當(dāng)兩端之間需進(jìn)行通訊時(shí)，需在兩個(gè)應(yīng)用間建立socket 連接，訪問(wèn)端：即發(fā)起連接請(qǐng)求的是客戶端，被訪問(wèn)端：即接受連接請(qǐng)求的是服務(wù)器端。同一應(yīng)用可是客戶端，也可是服務(wù)器端，兩者相對(duì)，可以通過(guò)服務(wù)器端與客戶端建立Socket 通信。

由于采用 TCP 穩(wěn)定連接，連接由客戶端發(fā)起只有正確的地址和端口號(hào)才可以連接上服務(wù)器端，發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求建立連接。

5? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于Django框架MVT，M構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)模型，從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取樹(shù)莓派發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，V和T將數(shù)據(jù)庫(kù)中的植物數(shù)據(jù)信息在網(wǎng)頁(yè)中實(shí)現(xiàn)可視化，樹(shù)莓派將從Arduino中獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到Python服務(wù)器端，Python服務(wù)器端將數(shù)據(jù)自動(dòng)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶登錄賬號(hào)后，V視圖獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，顯示在網(wǎng)頁(yè)中，用戶可以在網(wǎng)頁(yè)中發(fā)送澆水等請(qǐng)求，通過(guò)V視圖發(fā)送給Python服務(wù)器，服務(wù)器將請(qǐng)求返回給Python花盆端即樹(shù)莓派，樹(shù)莓派再將請(qǐng)求發(fā)送給Arduino執(zhí)行相關(guān)操作。（圖1）

6? 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該智能花盆的設(shè)計(jì)以及相關(guān)智能化功能的實(shí)現(xiàn)，使本設(shè)計(jì)面向早出晚歸的上班族，尤其是熱愛(ài)生活而又工作繁忙以及經(jīng)常出差或者遠(yuǎn)出旅行的人群，具有一定實(shí)用性。它能換夠代替人們完成生活中對(duì)室內(nèi)盆栽的照料。

該智能花盆系統(tǒng)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)框架的設(shè)計(jì)，模型以及實(shí)體的制作，對(duì)單個(gè)傳感器的功能實(shí)現(xiàn)，到將多個(gè)傳感器與樹(shù)莓派、Arduino微控模塊交匯互通，通過(guò)不同傳感器對(duì)盆栽信息的采集，智能花盆采用單獨(dú)的供電，保證了花盆各模塊能夠持續(xù)工作，用戶通過(guò)登錄Python開(kāi)發(fā)的web網(wǎng)頁(yè)端實(shí)時(shí)查看植物實(shí)時(shí)信息，從而達(dá)到更好的人機(jī)交互。

通過(guò)對(duì)改智能花盆的設(shè)計(jì)，使居家花卉培育更加簡(jiǎn)便、精確和智能，節(jié)省因繁忙而照顧花卉所需的時(shí)間，推動(dòng)了科技智能化給人們帶來(lái)的樂(lè)趣。

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