基于單片機的智能陽臺種植系統(tǒng)

鄧鴻福 狄逸辰 費凡 彭伊辰 李文杰 潘往麗

收稿日期：2023-09-12

基金項目：江蘇省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（202313987013Y）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.015

摘? 要：植物的生長特性多變，難以科學地照料，為了能夠適應現(xiàn)代年輕人的快節(jié)奏生活，更便捷地觀賞植物，在對植物不同生長環(huán)境所需要的光照、濕度等進行研究后，提出了基于STM32單片機和ESP8266 Wi-Fi模塊的一整套系統(tǒng)，利用溫濕度、光照、二氧化碳模塊對植物的生長環(huán)境進行檢測，使用微信小程序或者利用提前寫入到單片機的數(shù)據(jù)來控制電機和舵機等養(yǎng)護設備來使植物生長環(huán)境更適宜，能夠滿足植物的正常生長、發(fā)育所需要的環(huán)境因素和用戶遠程操控的需求，具有較好的可行性。

關鍵詞：STM32單片機；家庭種植；智能；Wi-Fi模塊；溫濕度；光照強度

中圖分類號：TP273；TP368.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）07-0063-05

Intelligent Balcony Planting System Based on Single-Chip Microcomputer

DENG Hongfu， DI Yichen， FEI Fan， PENG Yichen， LI Wenjie， PAN Wangli

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou? 225000， China）

Abstract： The growth characteristics of plants are changeable and difficult to take care of them scientifically. In order to adapt to the fast-paced life of modern young people and to be more convenient for watching plants， after studying the light and humidity required by different growth environments of plants， this paper proposes a complete set of systems based on STM32 Single-Chip Microcomputer and ESP8266 Wi-Fi module. It uses temperature and humidity， light and carbon dioxide modules to detect the growth environment of plants， and uses WeChat mini programs or data written to the Single-Chip Microcomputer in advance to control maintenance equipment such as motors and servos to make the plant growth environment more suitable. It can meet the environmental factors required for the normal growth and development of plants and the needs of user remote control and it is feasible.

Keywords： STM32 Single-Chip Microcontroller; home planting; intelligence; Wi-Fi module; temperature and humidity; light intensity

0? 引? 言

得益于社會的不斷進步，人們的生活水平不斷提高，生活需求也已經(jīng)從溫飽升級到了精神世界的滿足。而在家種植一些植物不僅能夠使生活環(huán)境得到改善，也能在這個快節(jié)奏的社會中享受慢節(jié)奏的植物生長的樂趣。但很多年輕人沒有那么多的時間或者總是忘記在何時維護植物的生長。同時，大多數(shù)人并不了解各個植物的習性，比如何時澆水、何時給予充足的光照、土壤溫度是否過高等，這些植物的生長重要條件如果不能精準、科學把控，容易造成在家庭里生長的植物生長狀況參差不齊，所以需要一套設備來完成對植物的智能化照料，人們只需要輸入在網(wǎng)上查找的相應的植物生長數(shù)值，就可以通過設備來遠程、及時地對植物進行護理，也能實現(xiàn)人們在忙碌時通過手機自動控制家里的系統(tǒng)來完成對植物的養(yǎng)護目的。

1? 植物生長數(shù)據(jù)研究

家庭種植的常見觀賞植物和蔬菜有菠菜、小蔥、芹菜、薄荷、文竹、吊蘭、綠蘿等。每一種植物的生長條件有所不同，所以不同的植物不一定能夠在一個生長室生長，了解每一種植物的生長才能調(diào)節(jié)和使用此裝置，下面列舉了兩種常見植物的生長條件。

1.1? 豆芽的生長條件

大豆發(fā)芽后，拿來清炒可以幫助消化、改善便秘，且種植簡單，是家庭常見的種植蔬菜之一，當挑選好顆粒飽滿的大豆，可以選擇種植在砂礫中，保持土壤的濕度在70%～85%之間，同時需要在濕度較高和遮光的條件下生長，即光照在5 000 lx以上，同時保持溫度在15～25 ℃之間為最佳，還需注意的是大豆的發(fā)芽需要在6 ℃左右。

1.2? 綠蘿的生長條件

綠蘿是大型常綠類的藤本植物，其莖葉具有一定的攀爬的能力，因顏色較深，可以作為家中的觀賞植物。綠蘿水培也可以土培，本文中展示的是土培的數(shù)值。不同的光照會影響綠蘿產(chǎn)生不同的生物量，影響到梗和葉的生長，所以折中下來需要保持在1 000～

6 000 lx之間為最佳；因綠蘿可以水培，所以濕度不低于50%最好；綠蘿的生長溫度為20～30 ℃。

2? 總體方案設計

考慮到用戶的實際生活環(huán)境和需求，采用簡便和大眾化的方式來設計，以單設備展示，示例植物為家庭常種的薄荷，此設計分為硬件電路和軟件部分，系統(tǒng)工作結構圖如圖1所示。

采集系統(tǒng)通過各個采集設備對植物生長所需的環(huán)境參數(shù)進行采集；將采集得到的數(shù)據(jù)同提前設置入的數(shù)據(jù)比較，從而獲得差值，由養(yǎng)護系統(tǒng)將差值補齊；遠程控制系統(tǒng)擁有最高控制權限，可以打斷養(yǎng)護系統(tǒng)的自動工作，也可以關閉所有的系統(tǒng)工作，并由用戶設定新的值到OneNET服務器，并由服務器發(fā)送到單片機，從而重新改寫?zhàn)B護系統(tǒng)的工作；在各個系統(tǒng)工作的同時，可以將各個設備的實時工作狀況和當前參數(shù)上傳服務器，用戶可以通過改寫服務器的數(shù)據(jù)來改寫設備自動工作的數(shù)據(jù)，從而滿足不同植物的生長需求，而微信小程序可以訪問服務器，手動控制各個設備和查看采集到的各環(huán)境參數(shù)，從而達到對植物的養(yǎng)護目的。

3? 硬件電路

本項目的硬件設備包括，意法半導體公司的STM32F103C8T6單片機、Wi-Fi模塊ESP8266、溫濕度模塊DHT11、光照模塊BH1750、SGP30二氧化碳檢測模塊、電機驅動模塊TB6612及電機和按鍵等，硬件原理圖如圖2所示。我們將溫濕度、光照、二氧化碳模塊連接到單片機，同時穩(wěn)壓電路給各設備和單片機進行供電，使得各采集設備能將各個數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C中，通過與系統(tǒng)設定的數(shù)據(jù)或者利用Wi-Fi設備在小程序中設定的數(shù)據(jù)進行比對，使得能夠驅動各電機和舵機將環(huán)境變量設定到合適的生長環(huán)境。

3.1? 單片機最小系統(tǒng)板

單片機最小系統(tǒng)板如圖2所示，本項目的單片機采用STM32F103C8T6最小板，芯片采用ARM Cortex-

M3內(nèi)核，72 MHz主頻，64 KB Flash，4個定時器，3個串口等[1]，此款單片機成本較低，功能較AT89C52和STM32F103C6T6單片機，接口更加豐富；大容量的Flash能夠容下更多的代碼量，完成更豐富的功能；支持Wi-Fi通信，能夠遠程訪問；功耗低，還包含復位電路、晶振電路和串口下載電路，因此能夠完美作為本項目的主控芯片。

3.2? OLED顯示模塊

為了方便用戶查看各種環(huán)境參數(shù)，需要OLED顯示屏模塊，相較LCD1602，此模塊只擁有SDA和SCL兩個通信引腳，遠少于LCD1602的引腳數(shù)量，使安裝變得十分簡便。使用I2C通信，減少了操作這款顯示器的難度，同時這款顯示器擁有128×64的分辨率，可以比LCD1602顯示得更加清楚，此顯示器不僅能夠顯示數(shù)字、英文，還能顯示漢字，所以能夠適應絕大多數(shù)家庭的使用環(huán)境。

3.3? 溫濕度傳感器模塊

由于需要同時測量土壤和空氣中的溫濕度，所以采用DHT11模塊，DHT11溫濕度傳感器是一種復合型的溫濕度傳感器，具有精確的數(shù)字信號輸出，使用了特殊的數(shù)字記錄技術和溫濕度信號傳感技術，使生產(chǎn)的產(chǎn)品具有高的可依賴性和穩(wěn)定性[2]。此模塊溫度的測量范圍為0～50 ℃，溫度測量誤差為±2 ℃[3-5]；濕度的測量范圍為20%～95%，濕度測量誤差為±5%，這些數(shù)據(jù)的測量范圍都能完美適用于家庭的環(huán)境條件。

3.4? 光強度傳感器模塊

本項目使用BH1750作為檢測植物生長環(huán)境中光照強度的傳感器，此傳感器數(shù)據(jù)測量范圍為0～65 535，可對家庭亮度進行1 lx的測定[6]，接近視覺靈敏度的分光特性。同時因為使用I2C通信，可將光線強度轉換為電壓，從而轉化為具體的數(shù)據(jù)。BH1750應用范圍很廣，對光的依賴性比較弱，可以適用于各種光源，主要應用于手機、電腦、數(shù)碼產(chǎn)品、汽車液晶屏。BH1750分辨率很高，測量的精度較高，它可以測量的范圍較大，是一種數(shù)字型的測量光強度的傳感器[7]。

3.5? Wi-Fi模塊

選用ESP8266模塊，該Wi-Fi模塊運用常見的2.4 GHz載波頻率，支持STA等三種工作模式，因為工作電壓和電流低，使工作時更加節(jié)省能源，且成本較低，能夠更經(jīng)濟地進行多設備采用。此模塊能夠將采集模塊采集到的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳到OneNet服務器[8]，所以用戶能夠使用微信小程序訪問服務器來上傳或下發(fā)數(shù)據(jù)。

3.6? 二氧化碳傳感器模塊

SGP30是一款芯片上具有多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，內(nèi)集成4個氣體傳感元件，可以用于空氣質(zhì)量檢測、甲醛濃度檢測和二氧化碳檢測，可以適配大多數(shù)家庭環(huán)境的檢測，具有完全校準的空氣質(zhì)量輸出信號[9]。同時也采用I2C通信，測量范圍為0～65 535，使得測量誤差為1×10-6。

3.7? 電機驅動模塊

TB6612是一塊強于L298N的電機驅動模塊，擁有兩個驅動的引腳，能夠滿足本項目的兩個電機的需求，節(jié)省了成本；同時擁有單獨的5 V電機供電和單獨的3.3 V驅動的供電引腳，能夠簡化電路的連接；雙PWM通道，能夠改變電機的轉速，從而有效地改變溫度和二氧化碳含量；由兩個引腳控制一個電機，可以做到正轉和反轉。

4? 軟件部分

4.1? 單片機軟件部分

單片機開機后，進行各設備的自檢，檢查是否連接網(wǎng)絡，OneNET服務器是否連接，檢查無誤后，啟動各檢測設備，并將數(shù)據(jù)上傳服務器，與服務器或者單片機儲存的設定的植物最適生長環(huán)境的參數(shù)進行比對，若溫度和二氧化碳過高，將打開風扇電機，進行降溫和排氣；若光照過強，將驅動遮光簾電機，將遮光簾放下，減弱光照的強度，若光照過低，將打開LED燈進行補光；若土壤濕度過低，將啟動灌溉用的舵機，將土壤的濕度提高。在設備運行的同時將各個參數(shù)和設備工作狀態(tài)上傳到服務器[10]，用戶可以通過微信小程序來訪問服務器，來查看數(shù)值或者下發(fā)設備運行的指令到服務器，由服務器通過ESP8266發(fā)送指令到單片機，單片機來控制各個設備的運行，并且在OLED顯示屏上顯示，單片機軟件流程如圖3所示。

4.2? 小程序軟件部分

單片機向OneNET服務器發(fā)送應答請求，連接成功后，微信小程序即可連接服務器，小程序接收或下發(fā)指令到服務器，由服務器控制單片機的LED照明燈的開啟、電機和灌溉舵機的工作。

5? 系統(tǒng)測試

5.1? 系統(tǒng)工作

圖4為硬件展示圖，單片機開機，進行設備自檢和檢查Wi-Fi連接狀況后，用戶通過微信小程序下達開啟全部設備指令，單片機發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶，用戶通過查看單片機反饋到小程序和環(huán)境參數(shù)后，下達打開風扇和灌溉的指令，單片機接收指令后自動調(diào)節(jié)養(yǎng)護設備，使得環(huán)境參數(shù)達到了適宜植物生長的水平。

圖4? 硬件展示圖

5.2? 功能測試

本設備使用薄荷作為實驗的對象，測得了一些采集設備的實際采集誤差和養(yǎng)護設備能夠改變的環(huán)境參數(shù)的值，并且得到了薄荷（成熟期）7天生長的環(huán)境數(shù)值。

5.2.1? 溫度測量

溫度的參數(shù)測量主要以測量空氣和土壤為主，測量實際采集誤差的方式為：將設備置于常溫（地點為江蘇揚州，時間為2023年9月1日）下，測量24小時，同時和水銀溫度計進行比對，設備測量的溫度和溫度計的測量的誤差范圍為±0.3 ℃；在測量養(yǎng)護設備能夠改變的溫度范圍時，采用風扇轉動的物理降溫，在空氣濕度為58%的情況下可以降低8 ℃左右。

5.2.2? 光照強度

光照的參數(shù)測量以測量家庭陽臺的光照強度為主，測量實際采集誤差的方式為：利用設備測得家庭的環(huán)境光照，再利用手機軟件測得對照的數(shù)據(jù)，進行對比得到相差60 lx左右；在削減光照強度的方面，采用遮光簾，能夠有效降低500～3 000 lx，采用12 W日光燈，能夠增加1 440 lx。

6? 結? 論

本設計基于單片機和ESP8266，能夠完成對植物生長環(huán)境因素的檢測，并且能夠自主地依靠這些數(shù)據(jù)來啟動各個養(yǎng)護的設備，完成對植物的養(yǎng)護，同時也能通過微信小程序展示給用戶，保留了用戶的操作權，讓用戶在外工作時也能監(jiān)控和控制家中的設備。實踐證明該設備的經(jīng)濟性、實用性較好，相信未來能夠得到很好的推廣和使用。

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作者簡介：鄧鴻福（2003.02—），男，漢族，四川眉山人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化；狄逸辰（2000.02—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方面：電氣工程及其自動化；費凡（2002.11—），男，漢族，江蘇無錫人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動化；通訊作者：潘往麗（1969.11—），女，漢族，江蘇泰州人，副研究員，碩士，研究方向：教育管理、信息技術。