基于ESP8266的智能盆栽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹靜　唐冰釗　蓋曉華

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款智能盆栽控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以檢測(cè)盆栽的生長(zhǎng)環(huán)境信息，自動(dòng)控溫控濕，補(bǔ)充光照。系統(tǒng)分為設(shè)備端和客戶端兩部分，設(shè)備端以ESP8266為主控芯片，通過檢測(cè)DS18B20測(cè)溫傳感器、電容式土壤測(cè)濕傳感器、BH1705光照傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，控制風(fēng)扇、電熱絲、水泵和補(bǔ)光燈等執(zhí)行元件工作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫、控濕，補(bǔ)充光照;客戶端設(shè)計(jì)了微信小程序，使用阿里云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與設(shè)備端的通訊，用戶可以通過手機(jī)監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)環(huán)境信息，并進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了盆栽的智能管理。

關(guān)鍵詞：盆栽管理;溫度控制;濕度控制;物聯(lián)網(wǎng)

引言

為適應(yīng)健康生活的潮流，越來越多的人選擇在家里和辦公場(chǎng)所種植綠色盆栽植物，這不僅是一種樂趣，讓生活更加豐富，同時(shí)綠植能夠凈化空氣，有益身心健康。植物的健康生長(zhǎng)離不開適宜的溫度、濕度以及光照，但隨著生活節(jié)奏的加快，很多人因無暇照顧而導(dǎo)致綠植枯萎致死。因此，為了讓花草得到悉心照顧，設(shè)計(jì)一款能自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)光澆水的智能花盆有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

智能盆栽控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為設(shè)備端和客戶端兩大部分。設(shè)備端主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送功能：通過主控制器接收傳感器采集到的溫度、濕度、光照等環(huán)境信息，控制相關(guān)執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、光照強(qiáng)度的控制。同時(shí)借助互聯(lián)網(wǎng)，將設(shè)備端采集的數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，再將其發(fā)送到客戶端——用戶設(shè)備端，供用戶訪問，確保用戶在聯(lián)網(wǎng)條件下可隨時(shí)隨地獲取盆栽植物生長(zhǎng)環(huán)境信息。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

ESP8266是一款具備32位Tensilica處理器的聯(lián)網(wǎng)功能且集成度高、功耗低的WIFI模塊，可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。選用可以實(shí)現(xiàn)控制功能的ESP8266 WIFI模塊作為系統(tǒng)的控制器，既能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，又比采用獨(dú)立控制器+WIFI模塊的常規(guī)模式降低了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。系統(tǒng)的硬件電路分為主控、電源、檢測(cè)和控制電路四部分。下面著重介紹檢測(cè)電路、控制電路兩部分。

2.1檢測(cè)電路

2.1.1溫度傳感模塊

溫度檢測(cè)裝置選擇常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，檢測(cè)范圍是-55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃。DS18B20的數(shù)據(jù)端DQ接到主控板的D3引腳上用于數(shù)據(jù)傳輸，電源引腳VDD外接3.3V直流電源，GND接地。

2.1.2濕度檢測(cè)模塊

土壤濕度的測(cè)量選用電容式土壤濕度傳感器，工作電壓3.3～5.5V，輸出電壓0～3V。檢測(cè)法是電容感應(yīng)原理，解決了電阻式傳感器容易被腐蝕的問題，工作壽命更長(zhǎng)。電容式土壤濕度傳感器的三個(gè)引腳分別是GND接地端，VDD電源引腳和DQ數(shù)據(jù)輸入輸出引腳。電容式土壤濕度傳感器是AD采集方式。

2.1.3光照檢測(cè)模塊

光照傳感器選用BH1750FVI，檢測(cè)范圍在1到65535 lx之間，光照檢測(cè)電路如圖2所示。

BH1750FVI共有五個(gè)引腳，分別是接地端GND，IIC地址引腳ADDR，IIC總線數(shù)據(jù)線SDA，IIC總線時(shí)鐘線SCL，電源引腳VCC。設(shè)計(jì)中BH1705采集光照協(xié)議是IIC，將SDA數(shù)據(jù)線和SCL時(shí)鐘線分別接在主控的D1和D2，VCC外接3.3V直流電源，GND接地，不使用ADDR引腳，將其接地。

2.2控制電路模塊

控制電路部分使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)板分別控制風(fēng)扇、電熱絲、水泵和補(bǔ)光燈?？刂颇K電路圖如圖3所示。

為簡(jiǎn)化電路，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)板輸入端口的所有接地端連接共同接地。電機(jī)驅(qū)動(dòng)板A+、B+、C+、D+端分別接主控板的D5～D8引腳，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出PWM信號(hào)控制執(zhí)行裝置的通斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)

軟件編譯環(huán)境選擇便捷靈活的Arduino，設(shè)備端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

3.2用戶端軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備端程序編寫采用C語言，而微信端是Java編程，二者在阿里云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)會(huì)存在一些不兼容，為解決這一問題，需選用一種高效的策略統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，先將不同格式的編程語言進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，再進(jìn)行優(yōu)化。本設(shè)計(jì)采用了JSON數(shù)據(jù)交換格式。JSON數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)單，易于讀寫、解析和編寫，且都是壓縮格式，占用帶寬小，支持C ， Java等多種語言。設(shè)計(jì)中基于JSON數(shù)據(jù)格式開發(fā)了一款編程語言標(biāo)準(zhǔn)化工具，能夠?qū)⒉煌木幊陶Z言設(shè)統(tǒng)一導(dǎo)出為JSON格式，便于自動(dòng)分析對(duì)比，提高策略梳理效率和準(zhǔn)確性。

4 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

通過阿里云平臺(tái)完成ESP設(shè)備端與微信用戶端的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)依據(jù)為：阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，對(duì)每個(gè)設(shè)備定義兩個(gè)分別用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的地址topic。云服務(wù)器平臺(tái)通過topic接受設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)或向設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，不同topic之間的數(shù)據(jù)傳遞通過云服務(wù)器內(nèi)部云產(chǎn)品流程進(jìn)行傳遞。設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸如圖5所示。

5 測(cè)試與分析

系統(tǒng)測(cè)試主要包括三個(gè)方面：（1）ESP設(shè)備端通過阿里云服務(wù)器能否將溫度、濕度、光照的檢測(cè)值準(zhǔn)確無誤地發(fā)送到微信用戶端;（2）微信用戶端通過阿里云服務(wù)器能否將溫度、濕度、光照的設(shè)定值發(fā)送到ESP設(shè)備端。（3）當(dāng)ESP設(shè)備端接收到用戶命令及現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，能否控制執(zhí)行裝置及時(shí)動(dòng)作，使溫度、濕度和光照快速到達(dá)設(shè)定值。

5.1微信用戶端接收數(shù)據(jù)測(cè)試

開啟設(shè)備，傳感器開始檢測(cè)當(dāng)前溫、濕度和光照，每2s采集一次，并發(fā)送給阿里云服務(wù)器，再由阿里云服務(wù)器發(fā)送給微信端，測(cè)試結(jié)果是，云端和微信端均可接收到當(dāng)前值，數(shù)據(jù)一致且正常顯示，效果符合預(yù)期，測(cè)設(shè)結(jié)果如圖6所示。

5.2 ESP設(shè)備端接收命令測(cè)試

通過微信端設(shè)置的滑動(dòng)條改變溫度、濕度、光照的設(shè)定值，例如設(shè)置溫度16℃，濕度44%RH，光照415%lx，通過阿里云將設(shè)定值發(fā)送給ESP設(shè)備端， ESP接收到的設(shè)定值通過串口發(fā)送到電腦串口調(diào)試窗口進(jìn)行顯示。測(cè)試結(jié)果為設(shè)備端可以準(zhǔn)確快速地接收到微信端發(fā)送的設(shè)定值。

5.3 ESP設(shè)備端控制測(cè)試

微信用戶端向ESP設(shè)備端發(fā)送光照設(shè)定值，設(shè)定為600lx。如圖7所示，測(cè)試結(jié)果為執(zhí)行裝置能夠快速動(dòng)作，用戶端接收到的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)能夠迅速到達(dá)設(shè)定值。

6 結(jié)論

通過搭建智能盆栽的硬件模型，進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及控制效果的測(cè)試，系統(tǒng)設(shè)備端和用戶端各項(xiàng)功能均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了盆栽環(huán)境的智能控制，有一定的實(shí)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介

1.曹靜，女，22歲，漢族，南陽理工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)本科學(xué)生，曾獲河南省機(jī)器人競(jìng)賽三等獎(jiǎng)。

2.唐冰釗，男，21歲，漢族，南陽理工學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)本科學(xué)生，曾獲河南省機(jī)器人競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽省級(jí)三等獎(jiǎng)。3.蓋曉華，女，53歲，漢族，南陽理工學(xué)院，教授，通訊作者。