基于Leonardo控制芯片的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫秋鳳，李 霞

（南京師范大學(xué)泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

隨著人們生活水平和生活品質(zhì)的逐漸提高，養(yǎng)殖花卉是大多數(shù)人陶冶情操、裝點(diǎn)生活的不二選擇。但大部分人會(huì)因?yàn)槊β档墓ぷ?、不間斷的出差，忘記給養(yǎng)殖的花卉澆水，致使花卉枯死等。面對(duì)令人困擾的花草澆水問題，市場上出現(xiàn)了一些自動(dòng)澆花系統(tǒng)，根據(jù)原理可分三類：自動(dòng)滲水裝置，內(nèi)部預(yù)存水，利用水壓自動(dòng)澆水，缺點(diǎn)是無法判斷土壤濕度；定量澆水，缺點(diǎn)是價(jià)格較貴，并且也不能根據(jù)土壤濕度調(diào)節(jié)水量；使用單片機(jī)控制的澆花系統(tǒng)比前兩者價(jià)格更高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種更智能、低成本、操作方便的澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)土壤和空氣溫濕度自動(dòng)灌溉，還可以通過手機(jī)端APP修改澆花條件，調(diào)節(jié)出水量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能澆花系統(tǒng)主要由Arduino Leonardo控制芯片、電源電路、DHT溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、BLELINK藍(lán)牙通信模塊、水泵自動(dòng)控制電路和蜂鳴器報(bào)警模塊等組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

Leonardo芯片控制模塊、水泵自動(dòng)控制模塊、DHT溫濕度及土壤濕度檢測模塊和藍(lán)牙通信模塊是核心模塊。系統(tǒng)分為自動(dòng)和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式：DHT溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)會(huì)被控制芯片檢測并判斷是否需要開啟水泵自動(dòng)澆水。手動(dòng)模式：用戶根據(jù)手機(jī)APP端顯示的空氣溫濕度和土壤濕度信息判斷是否需要修改水泵啟動(dòng)條件，并通過藍(lán)牙模塊將指令傳輸給控制芯片，從而更改澆水條件。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案

2.1 Arduino Leonardo控制芯片

Leonardo是基于Atmega32u4控制器的單片機(jī)，工作電壓為5 V，采用USB供電或外接6～23 V直流供電，兼容Arduino R3引腳映射，提供14個(gè)數(shù)字I/O和8通道10位模擬I/O，2個(gè)2 A大電流的H橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)建Xbee插板，集成APC220 RF模塊和藍(lán)牙模塊插板。圖2為Leonardo控制芯片引腳。

圖2 Leonardo控制芯片引腳

2.2 DHT溫濕度傳感器

DHT溫濕度傳感器包括1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測溫元件，與高性能8位單片機(jī)相連。測溫范圍為0～50 ℃，誤差為±2 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，誤差為±5%RH，響應(yīng)時(shí)間為6～30 s，測量分辨率為8位（溫度、濕度），采樣周期間隔不低于1 s。傳感器在濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，通信過程如圖3所示。

圖3 通信過程

2.3 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器探頭表面采用鍍鎳處理，加寬了感應(yīng)面積，提高了其導(dǎo)電性能，有效解決了接觸土壤后探頭容易生銹的問題，延長了其使用壽命。探頭可直接埋入土壤中，適合在花卉、苗圃等需要檢測土壤濕度的環(huán)境中使用。

土壤中的水分含量能改變土壤的電阻率，通常情況下，土壤中的含水量越高，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。土壤濕度傳感器的金屬片在插入土壤中時(shí)，能充分接觸到土壤，檢測到電阻率的改變，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。圖4所示為土壤濕度參考數(shù)值。

圖4 土壤濕度傳感器參考值

2.4 BLE-LINK藍(lán)牙通信模塊

BLE-LINK是基于TI CC2540藍(lán)牙芯片的通信模塊，工作頻率為2.4 GHz，靈敏度為-93 dBm，最遠(yuǎn)傳輸距離約30 m，兼容Xbee擴(kuò)展。通信協(xié)議為低功耗V4.0，可實(shí)現(xiàn)2個(gè)藍(lán)牙模塊間實(shí)物點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線透明傳輸。該模塊為主從機(jī)設(shè)置，無線燒錄程序，與PC建立HID連接。

2.5 水泵自動(dòng)控制模塊

水泵自動(dòng)控制模塊中使用繼電器控制水泵開關(guān)。繼電器的作用類似開關(guān)，當(dāng)繼電器通電后，線圈流過電流，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵受到的電磁力大于彈簧的拉力，導(dǎo)致銜鐵的動(dòng)、靜觸點(diǎn)吸合，即開關(guān)閉合。當(dāng)線圈斷電后，失去電磁力，銜鐵受彈簧的反作用力回到初始位置，動(dòng)觸點(diǎn)與初始靜觸點(diǎn)吸合，即開關(guān)斷開。繼電器模塊接線端NC代表常閉，NO代表常開，N/A代表空腳，COM為公共端。圖5為繼電器與水泵的連接圖。

圖5 繼電器與水泵連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能軟件設(shè)計(jì)包括傳感器檢測采集數(shù)據(jù)（土壤濕度和空氣溫濕度）子程序、自動(dòng)灌溉子程序、藍(lán)牙通信子程序等。主要程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程

手機(jī)端通過藍(lán)牙模塊顯示傳感器收集的數(shù)據(jù)，用戶在手機(jī)端也可更改溫濕度的閾值，修改水泵啟動(dòng)的條件。圖7為系統(tǒng)實(shí)物。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物

4 結(jié) 語

針對(duì)目前澆花系統(tǒng)有線控制的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款以Arduino Leonardo芯片為控制器的智能澆花系統(tǒng)，該系統(tǒng)在自動(dòng)模式下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度、空氣溫濕度的全天候采集、處理、顯示，在手動(dòng)模式下可以自定義閾值，通過藍(lán)牙修改澆花條件。經(jīng)測試，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，自動(dòng)控制程度較高，制作方便。本文的設(shè)計(jì)還可以為其他自動(dòng)灌溉系統(tǒng)提供參考。