摘 要： 利用MSP430單片機(jī)的控制存儲(chǔ)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種控制花卉土壤濕度并且顯示記錄濕度值的系統(tǒng)，解決了不能及時(shí)澆水以及缺乏澆水管理導(dǎo)致花卉生長(zhǎng)不健康的問題。系統(tǒng)利用土壤濕度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)花卉的土壤濕度，檢測(cè)模式根據(jù)土壤濕度的不同值判斷花卉是否需要澆水，通過恰當(dāng)?shù)臐菜渴够ɑ苌L(zhǎng)在一個(gè)適宜的土壤濕度環(huán)境中。當(dāng)主人外出時(shí)，自動(dòng)模式能夠模仿檢測(cè)模式對(duì)花卉進(jìn)行澆水，實(shí)現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)的功能，達(dá)到了智能澆水的目的。

關(guān)鍵詞： MSP430； 土壤濕度傳感器； 花卉； 智能澆水； 數(shù)據(jù)顯示記錄； 自主學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）07?0110?04

0 引 言

現(xiàn)代人想擁有綠色環(huán)保的家庭環(huán)境和生活質(zhì)量，很多人都在家里種植了各種花卉，以期望改善室內(nèi)的空氣質(zhì)量，目前更是比較流行陽(yáng)臺(tái)種菜，以便能吃到綠色營(yíng)養(yǎng)的蔬菜。但是緊張快速的生活節(jié)奏又使得上班族經(jīng)常顧此失彼。尤其是遇到節(jié)假日出行或探親，更是花草和作物們的苦難日，人們長(zhǎng)假歸來(lái)經(jīng)?？吹降氖且黄菸?。為此，人們迫切期望能有一種家用的自動(dòng)澆水裝置，能夠解決花草作物及時(shí)澆水的問題[1]。本設(shè)計(jì)將花卉與單片機(jī)MSP430技術(shù)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)花卉土壤濕度并且能夠根據(jù)土壤濕度情況進(jìn)行自動(dòng)澆水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在植物需要澆水的時(shí)候進(jìn)行自動(dòng)澆水，使花卉土壤濕度值保持在一個(gè)合適的水平，并且用戶可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)庫(kù)中傳感器的濕度數(shù)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)花卉的土壤濕度情況，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)出門遠(yuǎn)行無(wú)人在家的時(shí)候，通過控制單片機(jī)來(lái)進(jìn)行給花卉自動(dòng)澆水的功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，花卉自動(dòng)澆水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由單片機(jī)、土壤濕度傳感器模塊、澆水模塊、輸出模塊、時(shí)鐘模塊以及電源模塊6大部分組成。土壤濕度傳感器模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)花卉的土壤濕度值，將花卉的土壤濕度值轉(zhuǎn)換為RS 485電壓差輸出，然后通過MAX485接口芯片轉(zhuǎn)化為TTL電平。澆水模塊由繼電器和電磁閥構(gòu)成，當(dāng)花卉處于缺水狀態(tài)時(shí)，通過控制繼電器進(jìn)而控制電磁閥進(jìn)行澆水。輸出模塊由液晶顯示屏組成，它可以顯示土壤濕度值。時(shí)鐘模塊提供系統(tǒng)時(shí)鐘，完成濕度的數(shù)據(jù)讀取及處理。電源模塊分別為單片機(jī)、土壤濕度傳感器、繼電器和水箱電磁閥提供合適的電壓[2]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，通過設(shè)定適宜的土壤濕度值，根據(jù)土壤濕度傳感器傳送來(lái)的土壤濕度值進(jìn)行控制水箱電磁閥開關(guān)，并且不同時(shí)刻的土壤濕度值可以顯示在LCD屏上，從而保證土壤濕度值處在最適合花卉生長(zhǎng)的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 主控制器

單片機(jī)是信息采集單元的核心部分，控制著整個(gè)系統(tǒng)，因此單片機(jī)的選取十分重要?？紤]到實(shí)時(shí)對(duì)花卉土壤濕度值采集的系統(tǒng)特點(diǎn)，因此選用低功耗特性的MSP430G2553單片機(jī)作為微處理器。MSP430系列單片機(jī)[3]由美國(guó)德州儀器（TI）公司推出，是一種具有16位超低功耗的混合信號(hào)處理器，它采用的低電源電壓范圍為1.8～3.6 V，可在不到1 μs的時(shí)間里超快速地從待機(jī)模式喚醒。MSP430G2553單片機(jī)具有內(nèi)置的16位定時(shí)器、多達(dá)24個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O引腳、一個(gè)通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力[4]。MSP430G2553的引腳分布如圖2所示，其中P1口、P2口和P3口24個(gè)管腳是通用I/O口，每個(gè)管角都有第二功能。系統(tǒng)中用到的管腳有RST，用于復(fù)位；P1.0、P1.1和P1.2引腳外接RS 485芯片接口電路；P3.7用來(lái)控制澆水模塊。

圖2 MSP430G2553的引腳分布圖

2.2 土壤濕度傳感器模塊

該系統(tǒng)采用SM2802M型土壤濕度傳感器來(lái)測(cè)定土壤中的含水量，傳感器的工作電壓為DC 12～24 V，測(cè)量范圍為0～100%，測(cè)量精度為3%FSD，RS 485接口輸出。傳感器采用世界先進(jìn)的最新FDR原理制作，其性能和精度可與TDR型和FD型土壤水分傳感器相媲美，并在可靠性與測(cè)量速度上具有更大的優(yōu)勢(shì)[5]。SM2802M是一種高精度、高可靠性、受土壤質(zhì)地影響不明顯的快速土壤水分測(cè)量傳感器。該土壤濕度傳感器為新一代土壤水分測(cè)量傳感器，采用工業(yè)級(jí)精密核心元件，使其具有優(yōu)越的準(zhǔn)確性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性，并且體積設(shè)計(jì)小巧化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理密封。它以環(huán)氧樹脂密封膠灌封，可以直接埋入土壤中使用且不受腐蝕，保證較長(zhǎng)的使用壽命。

2.3 RS 485芯片接口電路

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS 485芯片，采用單一電源5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通信方式，完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡(jiǎn)單，內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和接收器。RD和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動(dòng)器的輸入端，與單片機(jī)連接時(shí)只需分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可。[RE]和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)[RE]為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE為邏輯1時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因?yàn)镸AX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機(jī)的一個(gè)管腳控制這兩個(gè)引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，當(dāng)A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當(dāng)A引腳的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機(jī)連接時(shí)接線非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)信號(hào)控制MAX485的接收和發(fā)送即可，接口電路如圖3所示。

圖3 芯片接口電路圖

2.4 澆水模塊

澆水模塊是由繼電器和水箱電磁閥組成的，具體電路圖如圖4所示。系統(tǒng)選用單片機(jī)的P3.7端口控制該模塊，采用DC12V水箱電磁閥，通過12 V電壓進(jìn)行控制。當(dāng)花卉處于缺水狀態(tài)時(shí)，單片機(jī)的P3.7端口輸出低電平，三極管飽和導(dǎo)通，+5 V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，電磁閥打開，開始為花卉澆水[6]。當(dāng)花卉不需要澆水時(shí)，單片機(jī)的P3.7端口輸出高電平，三極管截止，繼電器線圈兩端沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，電磁閥關(guān)閉。

2.5 電源模塊

電源模塊電路如圖5所示，在自動(dòng)澆水系統(tǒng)中，單片機(jī)采用3.3 V電源電壓進(jìn)行供電，繼電器采用5 V電源電壓進(jìn)行控制，水箱電磁閥采用12 V電源電壓進(jìn)行控制。12 V開關(guān)電源電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓集成電路得到5 V電壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓芯片SPX1117輸出3.3 V電壓。

圖4 澆水模塊電路圖

圖5 電源模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制澆水模塊和低功耗休眠模塊6大部分[7]，主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)初始化模塊主要完成液晶顯示屏以及其他外設(shè)的初始化。信號(hào)采集模塊主要的功能是提取花卉的土壤濕度值。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成對(duì)土壤濕度傳感器的RS 485接口輸出結(jié)果的存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)顯示模塊能夠在LCD屏上顯示出檢測(cè)的土壤濕度值?？刂颇K的作用是根據(jù)土壤濕度的不同情況來(lái)澆水或停止?jié)菜?。低功耗休眠模塊可以通過系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗的作用。

3.1 系統(tǒng)檢測(cè)模式的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)模式時(shí)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊完成對(duì)土壤濕度傳感器RS 485接口輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，而數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示最近2次采集到的濕度數(shù)據(jù)值。每個(gè)測(cè)試周期從剛給花卉澆完水開始，系統(tǒng)每隔6 h工作一次，當(dāng)土壤濕度低于10%一天以后再次進(jìn)行澆水。用戶還可以按下按鍵，從液晶顯示屏上讀出不同時(shí)刻的土壤濕度值，這些數(shù)值會(huì)存儲(chǔ)在單片機(jī)的寄存器中，能夠記錄下花卉在不同時(shí)刻的生長(zhǎng)狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)自動(dòng)模式的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)自動(dòng)模式開啟時(shí)，選取測(cè)量的三次濕度值的平均值作為土壤濕度設(shè)定值，也可以通過按鍵來(lái)獲得設(shè)定的閾值。單片機(jī)判斷經(jīng)RS 485接口輸出得到的數(shù)值，若該值在24 h之后仍低于土壤濕度設(shè)定值，則進(jìn)行澆水；若該值在24 h之后不低于土壤濕度設(shè)定值，則不澆水。整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集、比較，使土壤濕度值保持在最適宜花卉生長(zhǎng)的狀態(tài)，當(dāng)土壤濕度傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，單片機(jī)能夠根據(jù)平時(shí)的記錄數(shù)據(jù)來(lái)控制澆水模塊進(jìn)行給花卉澆水，具有一種自學(xué)習(xí)的功能。

圖6 主程序流程圖

3.3 系統(tǒng)休眠模式的軟件設(shè)計(jì)

通過MSP430單片機(jī)的CPU進(jìn)入休眠模式來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，從而使整個(gè)程序流程處于待機(jī)被喚醒的狀態(tài)。MSP430的工作模式通過模塊的智能化運(yùn)行管理和CPU的狀態(tài)組合以先進(jìn)的方式支持超低功耗的各種要求。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先檢測(cè)土壤的濕度值，因?yàn)闈穸鹊臏y(cè)試可以間隔一段時(shí)間測(cè)量一次，所以設(shè)定一個(gè)觸發(fā)周期為6 h，檢測(cè)完之后自動(dòng)回到休眠狀態(tài)，這時(shí)指示燈顯示是滅的。當(dāng)周期的觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，CPU退出休眠模式并被快速喚醒，系統(tǒng)開始工作[8]。在休眠過程中，喚醒方式分為兩類：既可以是測(cè)量喚醒，這時(shí)指示燈是亮的，利用濕度傳感器測(cè)量土壤濕度值；還可以通過按鍵喚醒在液晶顯示屏上讀出已經(jīng)測(cè)量的濕度值。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在花盆里部署土壤濕度傳感器來(lái)構(gòu)建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)， 土壤材料選取普通的適合花卉生長(zhǎng)的泥土，花卉采用大家比較熟悉且喜濕的滴水觀音，采樣間隔設(shè)為6 h。系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，用戶可以提取寄存器中存儲(chǔ)的濕度數(shù)據(jù)值。表1為系統(tǒng)工作6天檢測(cè)模式的土壤濕度值，表2為系統(tǒng)工作6天自動(dòng)模式的土壤濕度值，圖7為檢測(cè)模式的土壤濕度變化曲線，圖8為自動(dòng)模式的土壤濕度變化曲線，圖中虛線表示土壤濕度的分布范圍[9]。

測(cè)試結(jié)果表明，檢測(cè)模式在土壤濕度低于10%一天之后進(jìn)行澆水，能夠記錄下系統(tǒng)工作6天的土壤濕度值，而自動(dòng)模式能夠模仿檢測(cè)模式對(duì)花卉進(jìn)行澆水，實(shí)現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)的功能，達(dá)到了智能澆水的目的。

表1 檢測(cè)模式土壤濕度值 %

表2 自動(dòng)模式土壤濕度值 %

圖7 檢測(cè)模式土壤濕度變化曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以超低功耗、高性價(jià)比的MSP430單片機(jī)為控制中心，設(shè)計(jì)了根據(jù)土壤濕度給花卉智能澆水的系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)解決了大部分花卉不能及時(shí)澆水的問題，并且能夠根據(jù)土壤濕度的不同進(jìn)行澆水，使花卉生長(zhǎng)在一個(gè)適宜的土壤濕度環(huán)境中。系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)在于存儲(chǔ)并顯示記錄不同時(shí)刻的土壤濕度值，以防傳感器出現(xiàn)故障時(shí)模仿花卉的習(xí)慣進(jìn)行澆水。它有兩種工作模式可供選擇：主人在家時(shí)選擇檢測(cè)模式；主人外出時(shí)選擇自動(dòng)模式。系統(tǒng)的功能還可以更加完善，例如把攝像頭抓取的花卉生長(zhǎng)情況通過GPRS模塊發(fā)送到用戶的手機(jī)上[10]，讓使用者通過圖片的形式了解花卉的生長(zhǎng)狀況。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，可實(shí)施性高，不管在家里還是辦公室，都可以很好的使用，具有相當(dāng)可觀的應(yīng)用前景。

圖8 自動(dòng)模式土壤濕度變化曲線

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