基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)土栽培智能綠植陽(yáng)臺(tái)系統(tǒng)

李 娟 李海川 鄭澤豐

（廣東好太太科技集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 緒論

當(dāng)代人們的居住環(huán)境與辦公環(huán)境大都種植了綠植，用來(lái)凈化空氣、吸收二氧化碳以及防輻射等。且在人們忙碌的工作過(guò)程中，看到一抹綠色心情也更加愉悅，可緩解日常煩躁、焦慮或不安等負(fù)面情緒。

越來(lái)越多的人想在自家陽(yáng)臺(tái)或者辦公桌上種上一些綠植，但苦于沒(méi)有足夠時(shí)間和精力，所以放棄種植綠植，也可能因?yàn)樽约簺](méi)有經(jīng)驗(yàn)去養(yǎng)護(hù)這些富有活力的綠植，最后種植綠植這件事就以失敗告終。

智能綠植陽(yáng)臺(tái)系統(tǒng)就可以解決該問(wèn)題，使人們不用花費(fèi)過(guò)多的時(shí)間與精力去養(yǎng)護(hù)這些綠植，也不需要去學(xué)習(xí)綠植養(yǎng)護(hù)的知識(shí)，不需要去請(qǐng)教別人經(jīng)驗(yàn)，直接使用智能綠植養(yǎng)護(hù)陽(yáng)臺(tái)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)分析

該設(shè)計(jì)的綠植陽(yáng)臺(tái)智能系統(tǒng)構(gòu)成涉及綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)、阿里IoT云平臺(tái)、好太太智聯(lián)App。技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 綠植陽(yáng)臺(tái)智能系統(tǒng)

圖2 智能綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)備框圖

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、智能數(shù)據(jù)分析模塊、智能控制模塊以及無(wú)線通信模塊組成（如圖2所示）。數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)氮磷鉀傳感器、pH傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、水位傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)并將檢測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485總線傳送到智能數(shù)據(jù)分析模塊。智能數(shù)據(jù)分析模塊將接收到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平滑處理，計(jì)算分析當(dāng)前綠植生存環(huán)境數(shù)據(jù)與當(dāng)前培育綠植所需的生存環(huán)境差異，并向智能控制模塊下發(fā)相應(yīng)指令。智能控制模塊通過(guò)RS 485總線接收智能數(shù)據(jù)分析模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作（打開/關(guān)閉燈光，打開/關(guān)閉水泵，打開/關(guān)閉溫控器、按比例調(diào)配營(yíng)養(yǎng)液、輸送營(yíng)養(yǎng)液）。

綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)分析模塊同步通過(guò)Wi-Fi和Internet通信技術(shù)連接阿里IoT云平臺(tái)，并將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備故障信息推送到阿里IoT云平臺(tái)。由阿里IoT平臺(tái)將數(shù)據(jù)推送到用戶的好太太智能App上。

好太太智能App集成專家模塊，向用戶推薦符合相應(yīng)綠植各生長(zhǎng)周期所需的各項(xiàng)生存環(huán)境參數(shù)，根據(jù)用戶所選擇培育的綠植類型，將對(duì)應(yīng)的專家參數(shù)推送到阿里IoT云平臺(tái)，由阿里IoT云平臺(tái)向綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)推送對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的專家參數(shù)對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)，以滿足當(dāng)前培育綠植的各項(xiàng)生存環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)電控設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)分析

2.1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，由能數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測(cè)模塊、水泵模塊、加熱模塊、補(bǔ)充模塊、Wi-Fi模塊、顯示模塊及電源模塊組成。電源模塊給智能數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測(cè)模塊、水泵模塊、加熱模塊、補(bǔ)充模塊、Wi-Fi模塊以及顯示模塊供電，其中智能數(shù)據(jù)分析模塊為主要控制核心，監(jiān)測(cè)模塊用于監(jiān)測(cè)水位、氮磷鉀、溫度、光照及pH值，水泵模塊用來(lái)進(jìn)行補(bǔ)水，加熱模塊用來(lái)控制溫度，補(bǔ)充模塊用來(lái)補(bǔ)充氮磷鉀，Wi-Fi模塊用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)給App，并接受APP發(fā)送的指令使設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，顯示模塊用于在設(shè)備上顯示當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，并可在顯示屏上進(jìn)行設(shè)置。

2.1.2 光照監(jiān)測(cè)模塊

該模塊使用HA2003光照傳感器，高精度的光照強(qiáng)度測(cè)量體積小巧，IP65防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)傳感器結(jié)實(shí)、耐腐蝕響應(yīng)速度快，小于1 s可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長(zhǎng)纜線傳輸?shù)臅r(shí)候沒(méi)有信號(hào)衰減，采用先進(jìn)光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0 V～2 V或4 mA～20 mA[1]。

2.1.3 pH值監(jiān)測(cè)模塊

該模塊使用pH傳感器PH-BTA來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前pH值。pH傳感器是用來(lái)檢測(cè)被測(cè)物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號(hào)給傳感器，通常由化學(xué)部分和信號(hào)傳輸部分構(gòu)成，pH傳感器常用來(lái)進(jìn)行溶液、水等物質(zhì)的工業(yè)測(cè)量，傳感器內(nèi)部的pH放大器是一個(gè)能通過(guò)數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測(cè)的有標(biāo)準(zhǔn)pH電極的電路。傳感器連接線的末端是一個(gè)BTA插頭或一個(gè)5-Pin DIN插頭來(lái)與數(shù)據(jù)采集器連接[2]。

2.1.4 氮磷鉀監(jiān)測(cè)模塊

該氮磷鉀監(jiān)測(cè)模塊采用RS485型氮磷鉀變送器，該傳感器完全密封，耐腐蝕性強(qiáng)，可直接埋入土中或投入水中進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，性能穩(wěn)定、靈敏度高。該傳感器由電源模塊、信號(hào)放大模塊、溫度補(bǔ)償模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成，其將土壤含水率、電導(dǎo)率、溫度和氮磷鉀6個(gè)參數(shù)合一。通過(guò)該傳感器對(duì)當(dāng)前氮磷鉀濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將當(dāng)前值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)大于預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)行稀釋，小于預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)充。

Wi-Fi控制模塊

3 好太太智聯(lián)App

3.1 App功能概述

智能種植機(jī)接入好太太智聯(lián)App，除了內(nèi)置用戶賬戶注冊(cè)登錄功能，需要具備設(shè)備管理、傳感器參數(shù)顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、種植菜品選擇和功能控制。智能種植機(jī)App功能如圖4所示，其中，設(shè)備管理需要具備設(shè)備配網(wǎng)綁定（Ap熱點(diǎn)配網(wǎng)和搶占式綁定），設(shè)備解綁，在App首頁(yè)顯示設(shè)備列表等功能。在設(shè)備詳情頁(yè)中，還需要支持傳感器參數(shù)顯示（包括光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、高低水位傳感器）以及傳感器手動(dòng)檢測(cè)功能。設(shè)備狀態(tài)顯示顯示設(shè)備的工作狀態(tài)，例如完成自動(dòng)調(diào)整/正在調(diào)整，同時(shí)還會(huì)顯示調(diào)整的狀態(tài)，（“補(bǔ)水中”“補(bǔ)酸中”（pH）“補(bǔ)氮中”“補(bǔ)磷中”“補(bǔ)鉀中”“水循環(huán)中”“照明開啟中”）。在種植機(jī)中，還提供20種常見種植綠植的參數(shù)組和1組用戶自定義參數(shù)，用戶可以選擇種植的類型或手動(dòng)輸入?yún)?shù)來(lái)確定參數(shù)自動(dòng)調(diào)整的目標(biāo)值。在App中，還提供手動(dòng)照明開關(guān)，在綠植需要補(bǔ)光的情況下，可以手動(dòng)開啟照明開關(guān)。

3.2 App數(shù)據(jù)拓?fù)鋱D

智能種植機(jī)通過(guò)Wi-Fi模組借助路由器使用MQTT協(xié)議連接到好太太I(xiàn)oT云平臺(tái)，手機(jī)App使用Https及MQTT協(xié)議連接到好太太I(xiàn)oT云平臺(tái)，如圖5所示。

3.3 App主要功能

3.3.1 用戶賬戶注冊(cè)及登錄

用戶注冊(cè)及登錄界面如圖6所示，用戶賬戶注冊(cè)與登錄是好太太智聯(lián)IoT平臺(tái)內(nèi)建的賬戶體系，通過(guò)App可以完成用戶賬戶的注冊(cè)、登錄、找回密碼、退出登錄以及修改用戶頭像、昵稱等功能。用戶賬戶通過(guò)與IoT平臺(tái)的認(rèn)證服務(wù)進(jìn)行創(chuàng)建。

3.3.2 設(shè)備配網(wǎng)

需求描述：通過(guò)好太太智聯(lián)App將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并綁定用戶賬戶。

行為者：App注冊(cè)用戶。

前置條件：用戶注冊(cè)并登錄App。

后置條件：完成設(shè)備配網(wǎng)及綁定，設(shè)備在首頁(yè)顯示。

其他說(shuō)明：設(shè)備支持AP配網(wǎng)，為搶占式綁定（新綁定關(guān)系可以將舊綁定關(guān)系解除）。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）設(shè)備綁定后，當(dāng)有多臺(tái)相同設(shè)備時(shí)，在設(shè)備名稱后面追加數(shù)字序號(hào)。2）設(shè)備綁定后進(jìn)入設(shè)備列表顯示頁(yè)面。

3.3.3 設(shè)備解綁

需求描述：用戶解綁設(shè)備。

行為者：App注冊(cè)用戶。

前置條件：用戶為設(shè)備管理員并且已登陸App。

后置條件：用戶和設(shè)備解除綁定。

業(yè)務(wù)規(guī)則有5條。1）只有管理員可以解綁設(shè)備。2）用戶設(shè)備解綁，彈窗進(jìn)行二次確認(rèn)。3）設(shè)備成功解綁后Toast提示用戶解綁成功，然后返回首頁(yè)。4）設(shè)備刪除失敗時(shí)，彈窗提醒用戶，并建議用戶重試。5）設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置時(shí)，清除綁定關(guān)系。

圖4 功能概述圖

圖5 App數(shù)據(jù)拓?fù)鋱D

3.3.4 設(shè)備列表顯示

需求描述：設(shè)備在好太太智聯(lián)App首頁(yè)中進(jìn)行顯示

行為者：App注冊(cè)用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯(lián)App中可以看到綁定的設(shè)備。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）用戶進(jìn)入首頁(yè)時(shí)，刷新設(shè)備在線狀態(tài)。2）設(shè)備離線時(shí)，依然可以進(jìn)入設(shè)備詳情頁(yè)面，但進(jìn)入后彈窗提醒用戶設(shè)備的狀態(tài)，引導(dǎo)用戶檢查網(wǎng)絡(luò)或重置配網(wǎng)，并可返回首頁(yè)，也可進(jìn)入設(shè)備設(shè)置頁(yè)面進(jìn)行設(shè)備解綁。

3.3.5 傳感器參數(shù)顯示

需求描述：用戶可以在設(shè)備詳情頁(yè)查看設(shè)備上報(bào)的參數(shù)。

行為者：App注冊(cè)用戶

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

其他說(shuō)明：傳感器參數(shù)主要有：光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、水位。

業(yè)務(wù)規(guī)則有3條。1）設(shè)備上報(bào)參數(shù)為1次/min，App收到云端推送后同步更新。2）每次進(jìn)入設(shè)備詳情頁(yè)時(shí)，請(qǐng)求硬件更新參數(shù)。無(wú)參數(shù)時(shí)顯示“——”，更新時(shí)顯示上次更新的數(shù)據(jù)，標(biāo)題顯示更新圖標(biāo)。獲取到新數(shù)據(jù)時(shí)，直接更新界面，不要出現(xiàn)黑色全屏加載遮罩。3）水位顯示為“低水位”“高水位”“正常水位”，光照時(shí)間上報(bào)為MIN，需顯示為小時(shí)+分鐘格式。

圖6 用戶注冊(cè)及登錄界面

3.3.6 設(shè)備狀態(tài)顯示

需求描述：用戶可以在設(shè)備詳情頁(yè)查看設(shè)備工作的狀態(tài)。

行為者：App注冊(cè)用戶

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）設(shè)備正在調(diào)整參數(shù)，上報(bào)狀態(tài)為：“調(diào)整完成”，“正在調(diào)整”。2）當(dāng)設(shè)備狀態(tài)調(diào)整時(shí)，同步顯示正在調(diào)整的參數(shù)，例如“補(bǔ)水中”，“補(bǔ)酸中”（pH），“補(bǔ)氮中”，“補(bǔ)磷中”，“補(bǔ)鉀中”，“水循環(huán)中”，“照明開啟中”。

3.2.7 燈光開關(guān)

需求描述：用戶可以在App中打開或關(guān)閉燈光。

行為者：App注冊(cè)用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員或是設(shè)備被分享者。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）進(jìn)入App界面時(shí)，更新狀態(tài)。2）用戶可以打開或關(guān)閉開關(guān)，優(yōu)先響應(yīng)用戶操作（不顯示加載框），當(dāng)打開失敗時(shí)，彈窗顯示（智能種植機(jī)打開燈光失敗，請(qǐng)檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)）。

3.3.8 更多設(shè)置

需求描述：用戶點(diǎn)擊更多設(shè)置，可以查看設(shè)備名稱、型號(hào)以及設(shè)備DN碼，并可以在此頁(yè)面解綁設(shè)備。

行為者：App注冊(cè)用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯(lián)App中可以看到綁定的設(shè)備。

業(yè)務(wù)規(guī)則：設(shè)備名稱可進(jìn)行修改。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)的綠植陽(yáng)臺(tái)智能系統(tǒng)通過(guò)綠植陽(yáng)臺(tái)控制系統(tǒng)、阿里IoT云平臺(tái)以及好太太智聯(lián)App實(shí)現(xiàn)對(duì)綠植的智能養(yǎng)護(hù)，解決了人們沒(méi)有時(shí)間、精力及經(jīng)驗(yàn)去養(yǎng)護(hù)綠植的問(wèn)題。通過(guò)不同的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，并自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)智能綠植養(yǎng)護(hù)。并將實(shí)時(shí)環(huán)境狀態(tài)上報(bào)App，人們可以隨時(shí)看到綠植養(yǎng)護(hù)情況，可遠(yuǎn)程進(jìn)行看護(hù)，便利了人們的生活。