智能家庭植株養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

布乃波，張成文，宋曉薇，王 軒，陳 星，孫軼男

（哈爾濱理工大學(xué) 榮成學(xué)院，山東 威海 264316）

0 引 言

生活中，養(yǎng)護(hù)植物常常被人們作為一種生活消遣的方式，不僅能愉悅心情，還能凈化空氣。但人們經(jīng)常因為工作和生活繁忙而疏于對植物的照料，或養(yǎng)護(hù)方法不正確導(dǎo)致植物枯萎[1]。傳統(tǒng)的植物養(yǎng)護(hù)裝置使用限制大、智能程度低，需要人們花費更多的時間精力。為此，本文考慮設(shè)計一種智能系統(tǒng)來提高家養(yǎng)植物的成活率。通過HC05 藍(lán)牙串口模塊與手機(jī)APP 結(jié)合，達(dá)到解放人力的目的。

1 研究目的

家養(yǎng)植物有許多優(yōu)點：美觀、凈化空氣、緩解人們的精神壓力。但家養(yǎng)植物種類繁多，每一種植物都有自己的生長習(xí)性，因此需要養(yǎng)花人精心照料去提供適宜生長的不同條件。為此人們常常會自己動手制作一些簡易的裝置，但作用有限，仍然需要花費大量的時間來照料植物。目前，市面上也出現(xiàn)了一些輔助裝置，但是因為其較為簡單，不能根據(jù)天氣等因素的變化對植物養(yǎng)護(hù)環(huán)境進(jìn)行實時調(diào)控，不能完全滿足植物的生長需求。因此，亟需一款更加智能化的植物養(yǎng)護(hù)裝置輔助養(yǎng)護(hù)人去照料植物。

智能家庭植株養(yǎng)護(hù)裝置因具有使用方便、測量精準(zhǔn)、適用范圍廣的特點，可輔助養(yǎng)護(hù)人對植物所需的各項條件進(jìn)行精準(zhǔn)把控，以及在人員缺失的條件下自主完成對植物的養(yǎng)護(hù)。

智能家養(yǎng)植株養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)是將溫濕度檢測、光強(qiáng)度檢測、藍(lán)牙通信等多種技術(shù)融為一體的設(shè)計，具有使用方便、測量精準(zhǔn)、適用范圍廣等特點。該系統(tǒng)還可以作為高校教學(xué)的實踐案例，學(xué)生在掌握課上知識的基礎(chǔ)上加以拓建，了解并學(xué)習(xí)各部分元器件的適用范圍及使用方法，通過創(chuàng)新性的方法將各器件進(jìn)行組合，充分鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力和實踐能力，這對于培養(yǎng)新工科背景下的人才具有重要作用[2]。

2 傳統(tǒng)裝置分析

2.1 非智能化裝置

在家庭植物養(yǎng)護(hù)過程中，一些頗具動手能力的人親自動手制作了一些材料獲取方便、制作簡單的小型種植輔助裝置，如圖1 所示，這是目前市面上最常見、使用最廣泛的裝置。但是這種裝置的局限性也很明顯，僅適用于需水量較大的植物，且盛水容器容量不能太大或太深，太大則植株有可能受淹，過深則植株根部有可能汲取不到水分；而且如果長時間將根部浸泡在水中，對于需水量不是很大的植物，非常容易造成爛根的問題。

圖1 非智能化裝置

2.2 WiFi 控制水泵

圖2 所示的裝置設(shè)計了WiFi 模塊，用戶可以自行控制何時需要對植物進(jìn)行澆水處理，同時用戶不必靠近水源便可以對植株進(jìn)行澆水。但此項裝置的缺點也很明顯：一是水源與220 V 家用電壓直接連接，非常容易造成短路，有著一定的安全風(fēng)險；二是用戶需要親自觀察植物，然后自行決定是否進(jìn)行澆水；三是功能單一。

圖2 WiFi 控制水泵

2.3 定時澆水器

目前市面上還有一種應(yīng)用于戶外的定時澆水裝置，如圖3所示，通過裝置的表盤我們能夠很清楚地了解使用方法，它的缺點是無法根據(jù)實時的環(huán)境狀況來調(diào)節(jié)預(yù)先設(shè)置的變量。

圖3 定時澆水器

3 總體設(shè)計

本系統(tǒng)以STM32F103ZET6 單片機(jī)為核心，通過電源接口來使整個驅(qū)動電路正常工作[3]，通過HC05 藍(lán)牙串口模塊連接手機(jī)APP，使用DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器和光敏傳感器實時采集所在環(huán)境的溫濕度和光照，利用風(fēng)扇、霧化驅(qū)動板和LED 燈來實時調(diào)節(jié)，并將設(shè)定值和實際值的數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。通過手機(jī)APP 頁面的按鍵可以設(shè)定溫濕度和光照值，還可以通過網(wǎng)頁搜索培養(yǎng)方案。系統(tǒng)主要器件如圖4 所示。

圖4 主要器件

用戶通過按鍵設(shè)置光照與溫濕度的值，與傳感器檢測到的信息一并傳遞給單片機(jī)主控電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[4]。用戶可以提前為所需要照料的植株設(shè)置最適宜生長的環(huán)境條件；當(dāng)各項條件設(shè)定完成之后，單片機(jī)開始借由溫濕度檢測模塊、光照感應(yīng)模塊等采集到的信息，自動與用戶自行設(shè)定的信息進(jìn)行對比。當(dāng)濕度過低時，會自動控制水泵向植株補(bǔ)充水分；當(dāng)濕度過高時，會自動控制通風(fēng)裝置，加大空氣流動以便水分快速蒸發(fā)。當(dāng)日照強(qiáng)度減弱或低于用戶所設(shè)置的參數(shù)時，芯片會自行控制補(bǔ)光器對植株進(jìn)行補(bǔ)光。在裝置工作期間，傳感器采集到的所有信息都會在屏幕上實時顯示，以便用戶自行決定是否要對具體的各項參數(shù)進(jìn)行更改。

4 主要模塊功能

4.1 STM32 單片機(jī)

STM32F103ZET6 是一款基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的高性能、低成本的微控制器。它的主要特點包括32 位的閃存存儲器、低功耗和低電壓操作，以及實時功能的高性能集成。STM32 單片機(jī)硬件資源極為豐富，擁有2 個串口、多個IO口用以擴(kuò)展[5]。

4.2 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，包括能與高性能8 位單片機(jī)相連的1個電阻式感濕元件和1 個NTC 測溫元件。采用了專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，能夠確保其具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器具有成本低、性能穩(wěn)定、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)字信號輸出、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點[6-8]。

4.3 藍(lán)牙HC05

藍(lán)牙HC05 模塊具有靈敏、易于開發(fā)且性價比高等優(yōu)點，與單片機(jī)接口簡單，體積小，指令簡潔，且僅有6 個管腳，管腳間距為2.54 mm，焊接方便[9]。

4.4 LCD 觸摸液晶屏

模塊使用高分辨率霧面A 規(guī)TFT 屏，分辨率為480*320，視角廣，顯示細(xì)膩，不刺眼；使用鋼化玻璃電阻式觸摸屏，不易損壞，抗干擾能力強(qiáng)。通過2*17 排針同外部連接，采用MUC 接口的16 位80 并口驅(qū)動方式[10]、SPI觸摸屏接口、集成觸摸芯片，能夠很好地滿足本設(shè)計需求。手機(jī)APP 及顯示屏展示如圖5 所示。

圖5 手機(jī)APP 及顯示屏展示

5 結(jié) 語

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，本文設(shè)計的系統(tǒng)能夠完成光強(qiáng)和溫濕度參數(shù)的測量和調(diào)整，藍(lán)牙模塊正常工作，可以直接通過手機(jī)APP 設(shè)定。本設(shè)計綜合運用傳感器信號處理、自動控制、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，通過單片機(jī)將溫濕度傳感器、光線傳感器、藍(lán)牙控制等有機(jī)結(jié)合起來，根據(jù)用戶提前設(shè)定的要求，裝置可以自動完成對植株的養(yǎng)護(hù)。本設(shè)計具有一定的實用性，能適應(yīng)多種模式的應(yīng)用場景，具備可拓展性，發(fā)展前景良好。