智慧種植云管家

天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 張 迪 劉新月 王 鵬 馬文凱 李秉恒 王亞杰 蘇 鵬

本文提出了一種智慧種植云管家。該項(xiàng)目利用物聯(lián)網(wǎng)的最先進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能種植系統(tǒng)。以Arduino Nano為主要技術(shù)支持，主要用于土壤的綜合管理，如溫度、光照、濕度等環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，并確定何時(shí)灌溉、通風(fēng)。如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)超過(guò)了閾值，智慧云管家則可以報(bào)警并自動(dòng)采取對(duì)策進(jìn)行處理。同時(shí)云管家可以隨時(shí)隨地識(shí)別植物生長(zhǎng)狀況。

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們將在陽(yáng)臺(tái)和后院種植植物，使生活更加豐富多彩。植物的生長(zhǎng)離不開(kāi)水的支持，但是，當(dāng)人們?cè)诔霾罨蚵糜沃袝r(shí)，植物生長(zhǎng)所需的水和陽(yáng)光無(wú)法得到保證，從而構(gòu)成干旱或死亡威脅。大多數(shù)傳統(tǒng)灌溉方法都使用人工灌溉，即通過(guò)主觀的人類(lèi)意識(shí)來(lái)判斷植物是否需要澆水，但是不同的植物有不同的需水量，特別是一些稀有植物，其需水量要求更高。如果遇到長(zhǎng)時(shí)間的降雨或連續(xù)幾天的日照，當(dāng)水分過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致根莖腐蝕，或者植物因缺乏水分而枯萎而死亡。因此，迫切需要一種可以測(cè)量土壤溫度，濕度和外部陽(yáng)光的方法，以便為植物的健康生長(zhǎng)提供充足的灌溉和光照。本文主要使用Arduion單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)各種傳感器從植物周?chē)沫h(huán)境中收集信息，將其提交到云服務(wù)平臺(tái)，用戶可以通過(guò)操縱手機(jī)客戶端應(yīng)用程序來(lái)維護(hù)和監(jiān)視遠(yuǎn)程設(shè)施。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的智慧種植云管家主要實(shí)現(xiàn)對(duì)家中植物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及護(hù)理功能，大大提高了植物的生存能力。通過(guò)WIFI模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及指令執(zhí)行，通過(guò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，減少像人工這樣的工作環(huán)節(jié)，提升工作效率。其整體系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 智慧種植云管家系統(tǒng)圖

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用功能設(shè)計(jì)需求，智慧種植云管家通過(guò)溫濕、光敏傳感器等感應(yīng)植物泥土的溫濕度及周?chē)h(huán)境情況并通過(guò)WIFI模塊傳遞給云平臺(tái)，使用手機(jī)端實(shí)時(shí)監(jiān)控植物生長(zhǎng)情況，用戶可通過(guò)上傳的數(shù)據(jù)自行判斷或通過(guò)微處理器自動(dòng)判斷植物是否缺少水分、光照等。若要增添水分光照等，即可通過(guò)云平臺(tái)將指令發(fā)送給微處理器并控制繼電器進(jìn)行灌溉以及補(bǔ)光，也可由微處理器自行判斷進(jìn)行灌溉及補(bǔ)光，從而實(shí)現(xiàn)為植物遠(yuǎn)程的護(hù)理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智慧種植云管家硬件系統(tǒng)主要包含電源電路、控制電路、外圍電路（顯示電路、檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、補(bǔ)光電路、通信電路）組成，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

通過(guò)系統(tǒng)的框圖可看出，硬件系統(tǒng)以ARM處理器Arduino Nano為核心，外圍配置顯示電路、LED信號(hào)燈、溫濕度傳感器、補(bǔ)水補(bǔ)光電路以及通訊模塊等，從而環(huán)境數(shù)據(jù)檢測(cè)、灌溉補(bǔ)光、物聯(lián)通訊等功能。

2.1 電源電路

電源電路負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的的用電需求，該設(shè)備使用直流穩(wěn)定電源來(lái)提供穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源是一種將220伏頻率的交流電流轉(zhuǎn)換成恒定直流電的裝置。它分為四個(gè)階段：電壓轉(zhuǎn)換、整流、穩(wěn)壓和濾波。它通常由一個(gè)電源變壓器、一個(gè)反流過(guò)濾電路和一個(gè)穩(wěn)定電路組成。

2.2 控制電路

該控制電路的微處理器使用Arduino Nano型開(kāi)發(fā)板。Arduino單片機(jī)具有很高的處理運(yùn)算能力，使用C語(yǔ)言編程環(huán)境，控制方便，功耗低，體積小，具有廣泛的I/O端口資源，并且是集成的。使用+5V直流電源，具有多功能性和低成本的優(yōu)點(diǎn)。

Arduino Uno開(kāi)發(fā)板通過(guò)輸入輸出收集溫度、水分和環(huán)境因素感應(yīng)器發(fā)出的信號(hào)?？赏ㄟ^(guò)終端在機(jī)智云中啟動(dòng)照明、灌溉、窗戶等，并改善生態(tài)環(huán)境。通過(guò)WIFI模塊將傳感器加載的參數(shù)發(fā)送到機(jī)智云服務(wù)器，以允許通過(guò)移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)訪問(wèn)。微處理器作為整個(gè)裝置的核心，主要作用為收發(fā)控制指令、數(shù)據(jù)分析以及監(jiān)控控制，從而控制各個(gè)模塊正常工作，其實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 智能種植云管家原理圖

2.3 外圍電路

外圍電路包含顯示電路、檢測(cè)電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、補(bǔ)光電路、通訊模塊等組成。

2.3.1 顯示電路

它使用LCD1602液晶顯示器，其主控芯片為HD44780，主要優(yōu)點(diǎn)是LCD1602重量輕，功耗低，具有強(qiáng)大的防干擾能力和高屏幕分辨率，一次可顯示32個(gè)字符。主要對(duì)檢測(cè)參數(shù)時(shí)間進(jìn)行讀取顯示，更方便用戶的觀察。

2.3.2 檢測(cè)電路

本裝置采用型號(hào)為SLHT5-1的溫濕度傳感器，連接主控單片機(jī)，信號(hào)采集和處理后，溫度和濕度通過(guò)濾波電路、V/I轉(zhuǎn)換、運(yùn)算放大、恒電流和反向過(guò)壓的防護(hù)，轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)或信號(hào)的電壓與溫度和濕度的線性關(guān)系，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其濕度范圍為0-100%RH，溫度測(cè)量范圍為-40到+123.8℃，濕度測(cè)量精度為±3%，溫度測(cè)量精度為±0.4℃。通過(guò)溫濕度傳感器即可測(cè)量植物土壤溫濕度等數(shù)據(jù)，具有較高的靈敏度。

2.3.3 驅(qū)動(dòng)電路

在整個(gè)控制電路中，驅(qū)動(dòng)電路由繼電器實(shí)現(xiàn)，使用三級(jí)管來(lái)控制繼電器的運(yùn)作。當(dāng)三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，從而啟動(dòng)自動(dòng)灌溉裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的自動(dòng)灌溉。

2.3.4 補(bǔ)光電路

高亮度的白色LED燈用作附加的照明電路。高亮度LED是一種新型的LED，其亮度是傳統(tǒng)LED發(fā)光二極管的約100倍。高亮度LED燈具有可靠實(shí)用，壽命長(zhǎng)，光照強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在這種結(jié)構(gòu)中，三極管控制高亮度LED燈的開(kāi)和關(guān)，并且限流電阻器用于保護(hù)三極管。當(dāng)三極管由正電壓接通時(shí)，從而啟動(dòng)補(bǔ)光裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的補(bǔ)光，提供足夠的光照。

2.3.5 通訊模塊

采用型號(hào)為ESP8266 WIFI模塊實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)是由云平臺(tái)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的。由云官方提供的GAgent固件燒錄到ESP8266 WiFi模塊中，然后移植串行接口協(xié)議。初始化ESP8266-WiFi模塊后，將初始化數(shù)據(jù)，并可以通過(guò)上位機(jī)和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。交換通信內(nèi)容并將其保存在云開(kāi)發(fā)者中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視和維護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智慧種植云管家軟件的設(shè)計(jì)基于硬件系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件程序來(lái)執(zhí)行智慧種植云管家植物的數(shù)據(jù)檢測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸和灌溉。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括智能種植云控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)（圖4）以及PC端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的兩個(gè)部分（圖5）實(shí)現(xiàn)了智能云管理控制和人機(jī)界面。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

圖5 上位機(jī)軟件界面圖

該系統(tǒng)支持C語(yǔ)言結(jié)合匯編語(yǔ)言的混合編寫(xiě)，較低的驅(qū)動(dòng)程序與主語(yǔ)言的編寫(xiě)相關(guān)聯(lián)，外部使用C語(yǔ)言接口。在Arduino IDE5.0上安裝開(kāi)發(fā)環(huán)境，從智能云中導(dǎo)入開(kāi)發(fā)材料文件，為不同的功能開(kāi)發(fā)存儲(chǔ)模塊，編譯程序并下載到開(kāi)發(fā)版本進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)方案主要啟動(dòng)主程序與子程序，APP遠(yuǎn)程控制模塊，用于讀取環(huán)境光、土壤水分、空氣溫度的子程序的子程序。

PC端的主機(jī)軟件設(shè)計(jì)用于人機(jī)交互，并在計(jì)算環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)云管家的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用機(jī)智云作為第三方應(yīng)用平臺(tái)，并使用ESP8266射頻模塊與機(jī)智云平臺(tái)連接，實(shí)現(xiàn)APP遠(yuǎn)程控制，互聯(lián)網(wǎng)或LAN通信。機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)接收系統(tǒng)傳感器加載的遠(yuǎn)程客戶端可訪問(wèn)和觀看的參數(shù)，接收遠(yuǎn)程客戶端訂單，控制參數(shù)通過(guò)運(yùn)行模塊通過(guò)無(wú)線電模塊和環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸?shù)紸rduino控制器。該平臺(tái)為用戶提供API接口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理服務(wù)功能，以及智能硬件開(kāi)發(fā)框架和云服務(wù)功能。平臺(tái)上可以立即確定產(chǎn)品進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試設(shè)備的一側(cè)，并提供應(yīng)用開(kāi)發(fā)、測(cè)試、產(chǎn)品發(fā)展云計(jì)算和數(shù)據(jù)服務(wù)，涵蓋所有智能設(shè)備的生命周期。PC上計(jì)算機(jī)接口如圖5所示。

結(jié)束語(yǔ)：本文提出一種智慧種植云管家，綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息收集系統(tǒng)，對(duì)植物進(jìn)行了快速，多維，多尺度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行了綜合管理。該系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)光線，通風(fēng)，溫度，濕度等，促進(jìn)植物健康發(fā)展，是農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是科技化農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將提高植物的容錯(cuò)種植率，提高植物的可種植性。