基于物聯(lián)網(wǎng)的智能花卉栽培系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

湯朝婧，唐 燕

（1.寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)林業(yè)與草業(yè)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

0 引言

近年來(lái)設(shè)施栽培的不同發(fā)展階段與許多先進(jìn)技術(shù)都有所結(jié)合，隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，使得設(shè)施栽培領(lǐng)域更多的轉(zhuǎn)型升級(jí)都朝著新興信息技術(shù)靠近，在生產(chǎn)、控制、管理和分析方面尤為突出。花卉的栽培對(duì)于生長(zhǎng)環(huán)境有著嚴(yán)格的要求，尤其各種名貴花卉的生長(zhǎng)條件更為苛刻，影響花卉生長(zhǎng)的主要參數(shù)有大氣溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤水分等[1-2]。智能花卉栽培系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制其生長(zhǎng)環(huán)境，在不適宜花卉生長(zhǎng)的環(huán)境下調(diào)節(jié)環(huán)境條件，以達(dá)到不時(shí)栽培、延長(zhǎng)花期和增加產(chǎn)量的目的。本系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)花卉生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、控制和相關(guān)管理工作，搭建了花卉環(huán)境信息采集的硬件架構(gòu)和WiFi 傳輸網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合相關(guān)硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)了花卉栽培監(jiān)測(cè)和調(diào)控系統(tǒng)[3-4]。

本研究基于STM32 單片機(jī)研發(fā)的有無(wú)線聯(lián)網(wǎng)功能的智能花卉栽培系統(tǒng)，可在滿足環(huán)境參數(shù)精準(zhǔn)采集的條件下，對(duì)相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行交互控制，實(shí)現(xiàn)花卉栽培過(guò)程的自動(dòng)化控制[5]。使用者可采用現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)控制2 種方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控，從而確保植物穩(wěn)定的生存環(huán)境[6]。該系統(tǒng)若實(shí)施網(wǎng)絡(luò)化、大規(guī)模運(yùn)行管理，可實(shí)現(xiàn)花卉高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的產(chǎn)出[7]。

1 智能花卉栽培系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

智能花卉栽培系統(tǒng)主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)手機(jī)端和OLED 屏幕實(shí)時(shí)獲取花卉周圍環(huán)境信息，根據(jù)智能遠(yuǎn)程、自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)作，保證周圍環(huán)境適宜植物生長(zhǎng)的條件。該系統(tǒng)的功能模塊如表1 所示，包括信息顯示、環(huán)境因子監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制及系統(tǒng)軟件等組成部分，主要運(yùn)用各傳感器對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境中的土壤溫濕度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；由WiFi 進(jìn)行無(wú)線傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)；使用機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行信息處理，根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送控制指令[8]；通過(guò)手機(jī)App 設(shè)定溫濕度、光照強(qiáng)度以及CO2濃度的閾值，當(dāng)下位機(jī)傳感器探測(cè)到的數(shù)據(jù)高于閾值就會(huì)提醒，并顯示此時(shí)花卉所處的環(huán)境信息。本系統(tǒng)分為手動(dòng)開(kāi)關(guān)和App 上設(shè)置的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)2 種開(kāi)關(guān)模式，可以控制繼電器開(kāi)啟水泵、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈以進(jìn)行適宜花卉生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)調(diào)整。

表1 智能花卉栽培系統(tǒng)的主要功能

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型

系統(tǒng)采用有著強(qiáng)大通信和控制功能的STM32F103C8T6單片機(jī)，是一款32 位基于ARM 核心的帶64K 字節(jié)閃存的微控制器；引腳個(gè)數(shù)為48 個(gè)；工作頻率為72 MHz；工作溫度為-40～85 ℃；需要電壓2.0～3.6 V；單片機(jī)具有3 個(gè)普通定時(shí)器、1 個(gè)高級(jí)定時(shí)器以及2 個(gè)2 位/16 通道的ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換。其自帶3.3 V 穩(wěn)壓芯片，可以保證最大輸出300 mA 電流；支持ST-LINK 和JTAG 調(diào)試下載，內(nèi)部采用64K或128K 字節(jié)Flash 程序存儲(chǔ)器以及高達(dá)20K 字節(jié)的SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。STM32 處理器具有睡眠、停機(jī)、待機(jī)3 種低功耗模式，單片機(jī)在低功耗狀態(tài)下喚醒時(shí)間可以達(dá)到微秒級(jí)[9]。

本系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備主要有數(shù)字溫濕度傳感器（DHT11）、光照傳感器（BH1750FVI）、煙霧傳感器（MQ-2）、土壤溫濕度傳感器、WiFi 模塊（ESP8266）、STM32F103C8T6 微控制器、繼電器、水泵、風(fēng)扇（L9110）、LED 發(fā)光二極管、OLED 屏幕。表2 為選用的各傳感器基本信息。

表2 選用的各傳感器基本信息

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)主要包括感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層4 大層面。其中，感知層主要通過(guò)設(shè)置對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，由各種傳感器與結(jié)點(diǎn)相連，并按需求覆蓋一定的區(qū)域。傳輸層是數(shù)據(jù)采集層與應(yīng)用層之間的一座橋梁，主要通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向手機(jī)App 發(fā)送數(shù)據(jù)[10]。應(yīng)用層是利用使用者對(duì)感知層反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制（如控制照明、進(jìn)行溫濕度控制等）。

本系統(tǒng)使用ESP8266 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其采用 IEEE802.11 無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，共有VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND 這8 個(gè)針腳[11]，系統(tǒng)主要用到VCC、RX、TX、GND 這4 個(gè)針腳。ESP8266 WiFi 模塊采用串口與單片機(jī)通信，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議棧，通過(guò)WiFi 與上位機(jī)通信。利用ESP8266 模塊對(duì)傳統(tǒng)串口設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口配置，即可將數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi 傳輸給上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)功能[12]。ESP8266的GND、VCC 和STM32 對(duì)應(yīng)的GND、VCC 相連接，RX 和STM32 的PB10 連 接，TX 和STM32 的PB11連接。ESP8266 WiFi 模塊如圖1 所示，WiFi 模塊線路連接如圖2 所示。

圖1 ESP8266 WiFi 模塊

圖2 WiFi 模塊線路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行智能花卉栽培系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用keil5 對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和編譯，將程序錄至單片機(jī)系統(tǒng)中的FLASH 中，主要包括花卉監(jiān)測(cè)主控制系統(tǒng)和采集節(jié)點(diǎn)2 個(gè)模塊的程序設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要通過(guò)STM32 實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器輸入?yún)?shù)的變化以及WiFi 模塊收到的控制信息實(shí)現(xiàn)。當(dāng)判斷出傳感器的參數(shù)值超過(guò)上限或低于下限時(shí)，MCU 會(huì)進(jìn)行處理并控制相關(guān)設(shè)備動(dòng)作，發(fā)出燈光指示信號(hào)、上傳數(shù)據(jù)到機(jī)智云平臺(tái)[13]。圖3 為智能花卉栽培系統(tǒng)主程序流程。

圖3 智能花卉栽培系統(tǒng)主程序流程

3.2 上位機(jī)監(jiān)控模塊

系統(tǒng)的上位機(jī)軟件采用機(jī)智云平臺(tái)為開(kāi)發(fā)環(huán)境，平臺(tái)的構(gòu)架傳感數(shù)據(jù)來(lái)自采集層，主要由各個(gè)環(huán)境感應(yīng)器組成，以完成植物的生長(zhǎng)環(huán)境的信息采集。傳輸控制層則是負(fù)責(zé)將采集到的植被生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)傳送到云端。其利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊作為介質(zhì)，在TCP/IP 通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，將植物的生長(zhǎng)參數(shù)無(wú)線傳輸?shù)皆贫?，并利用機(jī)智云平臺(tái)對(duì)植株的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、統(tǒng)計(jì)[14]。另外，在傳輸控制層中，還需要通過(guò)機(jī)智云服務(wù)器對(duì)環(huán)境溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度調(diào)節(jié)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。用戶也可通過(guò)電腦客戶端、手機(jī)App 等智能裝置，對(duì)上述植物生長(zhǎng)環(huán)境中的現(xiàn)場(chǎng)裝置進(jìn)行監(jiān)控[15]。

智能盆栽的種植系統(tǒng)，有手動(dòng)模式和自動(dòng)模式2 種監(jiān)控模式（現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制）。手動(dòng)模式主要通過(guò)手機(jī)App 設(shè)定閾值，并通過(guò)App 端進(jìn)行澆水、補(bǔ)光等操作。手動(dòng)模式到自動(dòng)模式的切換也十分便捷，只需長(zhǎng)按開(kāi)發(fā)板上第1 個(gè)按鍵約5 s（手動(dòng)控制風(fēng)扇的按鍵）即可切換到自動(dòng)模式，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)率先在App 上設(shè)定好的閾值來(lái)對(duì)植物需求即所處的環(huán)境進(jìn)行一些智能化的調(diào)整，不需要人為再操作[16]。本系統(tǒng)機(jī)智云平臺(tái)界面如圖4 所示，手機(jī)App 界面如圖5 所示。

圖5 手機(jī)App 界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 黑盒測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要是對(duì)系統(tǒng)自身應(yīng)用場(chǎng)景的限定，采用黑盒測(cè)試，對(duì)遠(yuǎn)程操控、App 查看及控制、屏幕顯示、光照強(qiáng)弱監(jiān)控、灌溉功能監(jiān)控等主要功能進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)程序的需求規(guī)格說(shuō)明書(shū)，檢驗(yàn)其性能要求是否一致。在不需要理解程序代碼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下，就可以模仿使用者使用本產(chǎn)品，并檢驗(yàn)其是否符合使用者的要求。測(cè)試系統(tǒng)的總體運(yùn)行結(jié)果分為完全實(shí)現(xiàn)、基本實(shí)現(xiàn)、未實(shí)現(xiàn)、功能缺失4 類。黑盒測(cè)試可以更好、更真實(shí)地反映使用者的使用感受和被檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際功能運(yùn)行情況。

本測(cè)試主要對(duì)該系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試的主要內(nèi)容包括OLED 屏幕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示測(cè)試、蜂鳴器報(bào)警測(cè)試、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)、土壤溫濕度澆水監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)弱監(jiān)測(cè)、CO2濃度監(jiān)測(cè)、App 數(shù)據(jù)調(diào)控端測(cè)試以及手動(dòng)模式和自動(dòng)模式的切換測(cè)試。智能盆栽種植系統(tǒng)功能的黑盒測(cè)試如表3 所示，該測(cè)試內(nèi)容基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

表3 智能盆栽種植系統(tǒng)功能的黑盒測(cè)試

4.2 測(cè)試結(jié)果

1）數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器傳到客戶端時(shí)，在App 端界面展示外，同時(shí)在OLED 屏幕顯示數(shù)據(jù)，包括CO2濃度、環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、土壤溫濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖6 所示。

圖6 OLED 屏幕顯示數(shù)據(jù)

2）各控制模塊運(yùn)行。通過(guò)控制面板上的按鈕進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，當(dāng)按動(dòng)燈光按鈕時(shí)，側(cè)面模擬光源的LED 燈亮起，重復(fù)動(dòng)作將熄滅，如圖7 所示；當(dāng)按動(dòng)水泵開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，抽水泵啟動(dòng)并將儲(chǔ)水盒中的水或營(yíng)養(yǎng)液輸送至花盆內(nèi)，完成澆水的步驟，重復(fù)動(dòng)作將關(guān)閉水泵，如圖8 所示；當(dāng)按動(dòng)風(fēng)扇按鈕時(shí)，側(cè)面模擬通風(fēng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)起，達(dá)到通風(fēng)的效果（可用于相對(duì)封閉且空氣不暢的環(huán)境），重復(fù)動(dòng)作將關(guān)閉風(fēng)扇，如圖9 所示。

圖7 補(bǔ)光燈啟動(dòng)

圖8 水泵啟動(dòng)

圖9 風(fēng)扇啟動(dòng)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能花卉栽培系統(tǒng)，通過(guò)軟硬件實(shí)現(xiàn)了對(duì)花卉栽培環(huán)境參數(shù)（土壤溫濕度、環(huán)境溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度）的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)置了2 種模式（現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制），根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行具體分析后作出自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)光、自動(dòng)通風(fēng)的智能決策控制，確保其栽培環(huán)境條件穩(wěn)定。經(jīng)測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了智能花卉栽培的基本需求。