基于云平臺(tái)的智能澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃彥銘， 寧 媛

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 貴陽 550025)

0 引 言

現(xiàn)如今的快節(jié)奏社會(huì)，使得人們對(duì)生活的舒適度和便捷度提出了更高的要求。而在繁忙的工作之余，人們已然難有閑暇來精心照料家中栽種的各式植物花草?；诖耍疚膶ｉT研發(fā)了一種基于云平臺(tái)的智能澆水系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)是以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制芯片，通過各種傳感器采集環(huán)境信息，以 WiFi-ESP8266 無線模塊結(jié)合網(wǎng)絡(luò)路由器將采集到的植物生長環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)云服務(wù)器，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)后，用戶通過IOS客戶端應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)智能家居設(shè)備的開關(guān)控制和環(huán)境監(jiān)控[1]，支持室內(nèi)和室外全球異地遠(yuǎn)程控制。在系統(tǒng)硬件方面，設(shè)計(jì)了以 STM32 處理器為核心的智能澆水系統(tǒng)硬件平臺(tái)，主要包括土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、WiFi 通信模塊等多個(gè)功能模塊[2]。在軟件設(shè)計(jì)方面，通過編寫主程序、配網(wǎng)程序等一系列模塊程序，實(shí)現(xiàn)了一整套系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本文擬對(duì)此展開研究論述如下。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由傳感器模塊、控制器與處理器模塊、顯示模塊、WiFi無線傳輸模塊以及繼電器模塊等構(gòu)成。該控制系統(tǒng)以STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為核心控制器，通過傳感器模塊對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，利用STM32F407ZGT6 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，其中部分重要環(huán)境數(shù)據(jù)通過OLED顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，使用戶更加直觀地觀察到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)將檢測到的傳感器數(shù)據(jù)通過 ESP8266-WiFi模塊上報(bào)至云服務(wù)器，服務(wù)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給 IOS 客戶端，IOS 客戶端接收到狀態(tài)信息后更新相關(guān)數(shù)據(jù)并通過手機(jī) App界面顯示出來[3-4]。通過 IOS 客戶端對(duì)服務(wù)器下發(fā)指令，還可實(shí)現(xiàn) IOS 客戶端對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。以上設(shè)計(jì)能夠滿足用戶的生活需求，為用戶提供了更為舒適、便捷的使用體驗(yàn)。

該控制系統(tǒng)包含了3個(gè)關(guān)鍵部分，即系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)服務(wù)器、IOS客戶端App。智能澆水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能澆水系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6 單片機(jī)作為核心處理器，采用自行設(shè)計(jì)的供電模塊對(duì)其進(jìn)行供電，將土壤濕度傳感器、DHT11溫濕度傳感器以及BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器所采集到的信號(hào)經(jīng)過AD口轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠處理的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出到OLED顯示屏上。智能澆水系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。其中，WiFi通信模塊采用按鍵掃描方式與手機(jī)終端進(jìn)行配網(wǎng)，達(dá)到遠(yuǎn)程控制目的；繼電器模塊與澆水閥組成澆水模塊。

圖2 智能澆水系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

本研究系統(tǒng)使用 7.2 V 鋰電池供電，但系統(tǒng)中的 ESP8266-WiFi模塊、OLED 顯示屏使用的卻都是3.3 V的電源。單片機(jī)最小系統(tǒng)、土壤濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器等傳感器均需要5 V電源。因此電路設(shè)計(jì)中就需要將7.2 V的電源電壓降至5 V以及3.3 V。本設(shè)計(jì)通過TPS7350、LM1117-3.3和LM1117-5.0穩(wěn)壓芯片對(duì)電池電壓進(jìn)行降壓，因?yàn)樵撔酒€(wěn)壓后會(huì)有較大的紋波，因此設(shè)計(jì)電路時(shí)采用 0.1 uF的瓷片電容濾除高頻信號(hào)、10 uF的電解電容濾除低頻信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電源。這里，將給出電路的整體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 供電模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.3 澆水模塊設(shè)計(jì)

智能澆水系統(tǒng)澆水模塊由5 V驅(qū)動(dòng)繼電器模塊與8 V驅(qū)動(dòng)的澆水閥組成。澆水閥置于水箱中，接口連接塑料管，塑料管另一端放在植物盆栽中，繼電器設(shè)置為高電平觸發(fā)，其控制端設(shè)置連接為PB12接口，通過控制器控制其電源電路的輸出通斷來對(duì)澆水模塊進(jìn)行調(diào)控。

2.4 WiFi通信模塊[5-7]

本系統(tǒng)采用 ESP8266 芯片無線連接設(shè)計(jì)為WiFi通信模塊，研究采用3.3 V直流電源供電，并能在初始化STM32主控芯片的串口后進(jìn)行串口通信?？紤]到本系統(tǒng)是基于機(jī)智云平臺(tái)來研發(fā)設(shè)計(jì)的，所以需將機(jī)智云官方所提供的GAgent固件燒寫進(jìn)ESP8266-WiFi模塊中，再進(jìn)行串口協(xié)議移植，這樣在初始化ESP8266-WiFi模塊后，就能夠通過手機(jī)App與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并把通信內(nèi)容存儲(chǔ)到機(jī)智云開發(fā)者中心。

3 軟件設(shè)計(jì)

智能澆水控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為：控制器對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集和處理；控制器處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至 OLED 顯示；控制系統(tǒng)配置入網(wǎng)；控制器通過 ESP8266 上報(bào)數(shù)據(jù)；接收 IOS 客戶端下發(fā)的控制命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作。這里對(duì)此可做闡釋分述如下。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

智能澆水系統(tǒng)的主程序流程如圖4所示。首先，對(duì) STM32F407ZGT6單片機(jī)的各個(gè)外設(shè)初始化，然后初始化云協(xié)議，判斷 ESP8266-WiFi模塊是否已接入云服務(wù)器，若已接入，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并將重要數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至OLED 顯示屏顯示，此時(shí)控制系統(tǒng)將處理后的數(shù)據(jù)上報(bào)云服務(wù)器，服務(wù)器再將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給 IOS 客戶端，IOS 客戶端接收到狀態(tài)信息后更新相關(guān)數(shù)據(jù)并通過手機(jī) App 界面顯示出來；同時(shí)控制系統(tǒng)監(jiān)控 IOS 客戶端是否有下發(fā)控制指令。如果有，執(zhí)行相應(yīng)命令；如果沒有，則順序執(zhí)行。

圖4 智能澆水控制系統(tǒng)的主程序流程圖

Fig. 4 Main program flow chart of intelligent watering control system

3.2 網(wǎng)絡(luò)配置設(shè)計(jì)

智能澆水系統(tǒng)配網(wǎng)流程圖如圖5所示。智能澆水系統(tǒng)上電后， ESP8266-WiFi模塊首先檢測自身是否存儲(chǔ)有WiFi網(wǎng)絡(luò)信息。如果有WiFi信息，則連接當(dāng)前WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP連接服務(wù)器，連接成功后設(shè)置進(jìn)入業(yè)務(wù)工作子程序；如果 ESP8266-WiFi模塊自身沒有存儲(chǔ)WiFi網(wǎng)絡(luò)信息，則通過按鍵進(jìn)入AirLink模式，同時(shí)通過 IOS客戶端將WiFi網(wǎng)絡(luò)信息發(fā)送至 ESP8266-WiFi模塊，然后連接WiFi網(wǎng)絡(luò)，建立TCP/IP連接服務(wù)器，并進(jìn)入業(yè)務(wù)工作子程序。

3.3 通信模塊數(shù)據(jù)點(diǎn)創(chuàng)建

本設(shè)計(jì)中通信模塊選用機(jī)智云作為云平臺(tái)，為此必須先編寫云平臺(tái)部分的通信代碼，這可以通過在云平臺(tái)上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)來自動(dòng)生成代碼后移植進(jìn)主程序代碼中。本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)選用可寫類型數(shù)據(jù)點(diǎn)、布爾值數(shù)據(jù)類型和只讀類型數(shù)據(jù)點(diǎn)、數(shù)值數(shù)據(jù)類型兩種數(shù)據(jù)點(diǎn)。具體數(shù)據(jù)點(diǎn)的設(shè)計(jì)見表1。

圖5 智能澆水控制系統(tǒng)配網(wǎng)流程圖

Fig. 5 Intelligent watering control system distribution network flow chart

表1 數(shù)據(jù)點(diǎn)設(shè)置表

4 設(shè)計(jì)測試

本設(shè)計(jì)搭建的簡單智能澆水系統(tǒng)如圖6所示。首次工作時(shí)通過按鍵進(jìn)入AirLink 連接方式與手機(jī)App進(jìn)行匹配，匹配成功后使用者即可通過手機(jī)App對(duì)家中植物生長的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，繼而對(duì)智能澆水系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。匹配成功后界面如圖7所示。此外，系統(tǒng)每次工作的歷史數(shù)據(jù)可以在機(jī)智云官網(wǎng)開發(fā)者中心的運(yùn)行記錄中查看，如圖8所示。

圖6 簡易裝置圖 圖7 智能澆水系統(tǒng)處于澆水狀態(tài)

Fig. 6 Simple device diagram Fig. 7Intelligent watering system is in watering state

圖8 系統(tǒng)運(yùn)行記錄詳情

5 結(jié)束語

本文以STM32F407ZGT6為主控芯片設(shè)計(jì)了一種基于云平臺(tái)的智能澆水系統(tǒng)，用戶可通過手機(jī)App對(duì)家中植物周圍的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，進(jìn)而控制智能澆水系統(tǒng)是否執(zhí)行澆水命令，使人們能夠遙控智能澆水系統(tǒng)的工作狀態(tài)，從而避免了家中植物因缺水而死亡，為人們在忙碌中仍可兼顧周邊環(huán)境的綠化及美化提供了很大的便利。經(jīng)過測試，本設(shè)計(jì)能夠很好地完成預(yù)期工作，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，因而具有可觀的發(fā)展應(yīng)用前景。