基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能花盆設(shè)計

許靖　白欣然　胡世鑫　孫雯穎　劉森　蘭麗輝

摘要：物聯(lián)網(wǎng)智能花盆通過手機App端與植物建立溝通渠道，采用溫濕度、光照、PH值等功能傳感器監(jiān)測植物的生長狀況，對采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)Arduino單片機搭建的智能平臺融合處理后由Wi-Fi無線傳輸至用戶手機端，使用戶能及時了解植物的生長情況并適時采取養(yǎng)護措施。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);Arduino;智能花盆;Wi-Fi

中圖分類號：TP391? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）03-0216-03

Abstract： Smart flowerpot of Internet of things establishes communication channel with plants through mobile App.Temperature， humidity， light， PH value and other functional sensors were used to monitor the growth of plants.After the collected data is fused and processed by the intelligent platform built by Arduino SCM， it is transmitted to the user's mobile phone through WiFi.Users can timely understand the growth of plants， and take timely maintenance measures.

Key words： Internet of Things; Arduino; intelligent flower pot; Wi-Fi

物聯(lián)網(wǎng)智能花盆準確來說是智能農(nóng)業(yè)的一個分支，通過網(wǎng)絡(luò)將人與物，物與物聯(lián)系起來，更加智能地，方便地養(yǎng)護植物。目前國內(nèi)外已有能夠?qū)崿F(xiàn)植物智能養(yǎng)護、培育的設(shè)備， 比如Mc Cready通過對土壤濕度和蒸騰量等的提取進行智能灌溉;Click和Grow設(shè)計了一款具備自動澆水和施肥功能的智能花盆等[1]。

Arduino單片機搭建的智能平臺是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，它不局限于某種系統(tǒng)，不局限于某種語言，利用Arduino構(gòu)建的系統(tǒng)可利用各種各樣的傳感器來感知環(huán)境，并可通過控制燈光、馬達和其他裝置來反饋、影響環(huán)境[2]。物聯(lián)網(wǎng)智能花盆采用溫濕度傳感器、光照傳感器、PH值傳感器等采集植物的生長環(huán)境參數(shù)，并通過Arduino單片機構(gòu)建的智能平臺進行數(shù)據(jù)處理，控制澆水、移動花盆等機械裝置實現(xiàn)自動澆水、調(diào)整光線等功能，并可將植物生長的相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩舻氖謾CApp端，可通過手機實現(xiàn)遠程監(jiān)控等功能。系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1 系統(tǒng)的設(shè)計思路

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運而生。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為三層，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。智能花盆是基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，也存在這三層;它的感知層通過各個傳感器完成信息的采集并傳入主控芯片進行處理;網(wǎng)絡(luò)層利用WIFI無線通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_;在應(yīng)用層的智能終端設(shè)備上顯示所有的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)與應(yīng)用相結(jié)合，形成一個完整的體系，系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)的設(shè)計，主要以Arduino作為控制的核心，由檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)和監(jiān)視系統(tǒng)一起構(gòu)成。Arduino單片機可以讀取 DHT-11數(shù)字溫濕度傳感器、BH1750FVI數(shù)字環(huán)境光傳感器，PH值傳感器[3]，并且還連接有水泵的繼電器，可以自動根據(jù)溫濕度、光照的數(shù)據(jù)來加水或者調(diào)節(jié)光照。通過定時裝置可以定時轉(zhuǎn)動花盆方向，避免因生長素分布不均造成植物長勢不同的狀況發(fā)生。

軟件系統(tǒng)即為手機端的設(shè)計，主要基于Android平臺開發(fā)應(yīng)用App。用戶在手機端App的主界面上通過點擊的方式實現(xiàn)連接與控制，提供花草數(shù)據(jù)及控制智能花盆的各種功能，與花盆連接成功后可以獲取植物現(xiàn)生長環(huán)境的各種數(shù)據(jù)。具體實現(xiàn)框圖如圖3所示。

2.1 硬件設(shè)計

應(yīng)用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和PH值傳感技術(shù)， 確保高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。

應(yīng)用BH1750FVI數(shù)字環(huán)境光傳感器可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背景燈的亮度，利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化。

在花盆的底部設(shè)計一個可旋轉(zhuǎn)的圓形部件可以定時托起花盆以30°的方向轉(zhuǎn)動。并且因為不同植物的喜光程度不同可在花盆及圓形部件底部裝有兩個花盆長度的滑道。根據(jù)陽光的偏移及植物特性最小程度地移動花盆。當PH值傳感器檢測到土壤缺水時頂部澆水裝置會自動澆水，當檢測到土壤水分充足時，停止?jié)菜甗4]，但因為底部滑道有兩個花盆長度，所以會造成水資源浪費，因此在滑道上會有很多有紗布的小孔，這樣多余的水資源會重新回到存水處，以便下次澆水使用等。具體設(shè)計如圖4所示。

2.2 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要基于Android平臺開發(fā)應(yīng)用App。用戶在手機端App控制花盆，與花盆連接成功后可以獲取植物現(xiàn)生長環(huán)境的各數(shù)據(jù)。

借助Arduino嵌入式平臺的WIFI功能，智能花盆內(nèi)置傳感器采集到的溫度、濕度、光照等各類數(shù)據(jù)，可以實時同步到手機App端，方便用戶遠程監(jiān)控。用戶可以通過手機App選中自己培育的植物?；ㄅ钑鶕?jù)選中植物的品種通過傳感器網(wǎng)絡(luò)對植物進行實時監(jiān)控。

首先是用戶注冊界面，每位新用戶使用App前都要進行注冊，并設(shè)置密碼;之后要選擇自己需要監(jiān)控的植物（可多選），如希望植物擁有姓名或怕同種植物的數(shù)據(jù)弄混，可以給自己的植物命名，不需要則可以跳過;此時注冊完成，傳感器開始采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至App端;App通過數(shù)據(jù)及時向用戶反映植物情況，并遠程控制花盆的移動、澆水等。如果存水裝置中出現(xiàn)缺水狀況，花盆會通過App或者蜂鳴報警提醒用戶;功能流程圖如圖6所示

App也會根據(jù)不同植物特性推送適合的肥料的品牌或其他用戶的口碑品牌，用戶可以自行挑選需要的肥料品牌。同時也會向用戶推送植物的相關(guān)專業(yè)知識，和提供用戶之間交流的平臺，方便用戶更好地照料植物。

3 系統(tǒng)的功能測試

3.1 傳感器的測試

通過PH值傳感器采集的數(shù)據(jù)與植物所需水分進行對比，不達標的情況下可以對水泵進行控制，遠程操作打開水泵進行自動澆水操作，使植物水分充足。通過光敏傳感器采集的數(shù)據(jù)與植物所需光照進行對比，不合格的情況下，可以對舵機進行控制，進行移動花盆的操作，將花盆旋轉(zhuǎn)或在滑道上進行滑動，使花盆移動到陽光下面，增加光照強度。通過PH值傳感器采集的數(shù)據(jù)，可以為植物提供一個較好的可控外在環(huán)境。

3.2 App測試

當用戶首次使用App時，未經(jīng)注冊階段，是不可以進行數(shù)據(jù)分析和控制的，只有注冊之后才可以是實現(xiàn)遠程控制。打開手機App界面，首先出現(xiàn)登錄界面，若未注冊，則需首先注冊。登錄后需先添加植物。若再次打開界面，首頁出現(xiàn)植物信息，則為連接成功。當用戶注冊成功后，可以完成自動澆水、定時轉(zhuǎn)動方向、最小限度移動的控制。若在冬天，室內(nèi)溫度約為16度左右，環(huán)境濕度大約是48%，若App顯示如下圖則為正常。若土壤濕度足夠則為五滴水，隨著時間的繼續(xù)，土壤越干燥水滴數(shù)越少，當水滴數(shù)只剩一個時App會開啟提醒功能。土壤養(yǎng)分與土壤濕度情況相同。App還會根據(jù)具體匹配的植物進行相關(guān)推送內(nèi)容。

4 總結(jié)與展望

雖然智能花盆已經(jīng)存在一段時間了，但還是有可以完善的地方。對比其他設(shè)計增加了定時轉(zhuǎn)動花盆的設(shè)計。避免生長素分配不均影響植物形態(tài)的狀況。同時增加了上位機軟件的遠程控制。更大程度的方便用戶使用。因為需要遠程控制，就需要借助服務(wù)器，本文選擇云平臺作為服務(wù)器，采用MOTT協(xié)議將服務(wù)器與WIFI設(shè)備數(shù)據(jù)進行開發(fā)[5]。

經(jīng)過科學(xué)的照顧，給植物一個較好的環(huán)境，對于主人而言不但不增加工作量，反而節(jié)省工作量，是智能花盆存在的意義。但有一些技術(shù)還是較難實現(xiàn)。如果不租用服務(wù)器而是自己搭建服務(wù)器就比較困難，但要遠程控制就必須需要服務(wù)器，希望以后應(yīng)用云平臺可以實現(xiàn)基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能花盆設(shè)計。

參考文獻：

[1] 韓夢迪，劉明，王帥，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的花卉養(yǎng)護遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2019，38（7）：93-96.

[2] 李涵茜.基于Arduino嵌入式平臺智能花盆系統(tǒng)[J].科技資訊，2017，15（33）：21-24.

[3] 楊宏斌，常若葵，王遠宏，等.基于STM32和Arduino的智能花盆系統(tǒng)設(shè)計[J].黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018（10）：170-171，192.

[4] 逯文杰，黎雪芬，李曉會.一種基于STM32的智能花盆機器人[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（25）：66-67.

[5] 高蒙.基于機智云平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2019.

【通聯(lián)編輯：梁書】