潘敏開+黃業(yè)盛+何俊蜓+劉晉勝

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，智能設備漸漸走進每一個大小家庭中，自動化同時也成了當代的一個代名詞，智能花盆的免人工培植正迎合了這一大主題。通過溫濕度、光照等傳感器獲取當前植株生長環(huán)境狀況并獲取圖像數(shù)據(jù)上傳至移動端，具有良好的交互功能。主控采用STM32，通過WiFi與Web服務器進行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠為智能花盆的設計提供參考，具有較強的創(chuàng)新性及參考價值。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 交互功能 Web服務器 社交圈

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0004-03

智能花盆是當今世界家居和辦公室種植植株的新寵，是根據(jù)土壤、溫濕度、光照等變化按需供給的一套現(xiàn)代化種植系統(tǒng)。能改善家居和辦公環(huán)境，取得種植植株的樂趣。在技術范疇來講，智能花盆是精準農業(yè)的一個計數(shù)分支，它根據(jù)土壤的含水量，養(yǎng)分和作物生長狀況的空間差異，調節(jié)對植株的投入。顯然，智能花盆不但可以最大限度提高植株的存活率，而且是實現(xiàn)優(yōu)質、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，能優(yōu)化家居環(huán)境。

而在國外，智能花盆的研究探索也從未停止，美國市場出現(xiàn)了一種叫“WaterLink”的產(chǎn)品，通過濕度傳感器來采集土壤的含水量數(shù)據(jù)，通過WCDMA網(wǎng)絡發(fā)送給用戶，用戶通過智能手機的客戶端了解當前植物土壤含水量。

該系統(tǒng)為根據(jù)植株生長狀況調節(jié)對植株的投入，改善家居環(huán)境，建立以智能花盆為基礎的帶交互式的系統(tǒng)，劃分為3個層次，分別為硬件層、網(wǎng)絡層、應用層。硬件層的主要職能是采集現(xiàn)場傳感數(shù)據(jù)和接收反饋控制。同時底層系統(tǒng)配置攝像頭獲取植株圖像信息供上層應用來調用。網(wǎng)絡的主要職能是對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?，在智能花盆系統(tǒng)中，主要利用的是HTTP1.1協(xié)議，利用底層WiFi模塊對服務器進行數(shù)據(jù)的交互。HTTP1.1負責組織html向客戶提供遠程訪問。應用層的主要職能是通過Android應用程序界面和Web服務器展示應用，向用戶提供良好的操作界面。利用這一套系統(tǒng)，在實現(xiàn)植株免人工栽培的同時，基于Android上層應用建立以智能花盆為核心的社交圈。用戶通過app應用觀察自身植株的同時，更可觀察好友植株的生長狀況，并可參與到植株的培養(yǎng)中來。同時系統(tǒng)帶有聊天界面和社交功能，不單提供交流的渠道，還能幫植株發(fā)個“心情”。

1 硬件設計

1.1 智能花盆的整體設計

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 土壤濕度檢測設計

該系統(tǒng)中的土壤濕度檢測如圖2所示。

系統(tǒng)中配置兩根探針插入土壤中，由于兩探針間的泥土在不同的濕度下會有不同的阻值，土壤電阻與電路中的C19構成了RC回路，又與NE555構成了完整的振蕩電路，同時，由于NE555的輸出信號是數(shù)字信號，相當于將RC振蕩的波形整形為脈沖信號，方便與數(shù)字控制系統(tǒng)連接以測量電路振蕩頻率，達到測量濕度的目的。

1.3 LED控制以及光強檢測設計

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，植物光合作用需要的光線，波長在400～720 nm左右。440～480 nm（藍色）的光線以及640～680 nm（紅色）的光線對于光合作用貢獻最大。520～610 nm（綠色）的光線，被植物色素吸收的比率很低。

按照以上原理，系統(tǒng)采用的補光燈波長為450～460 nm，為藍光1W2兩個，白光1 W一個。

而在光檢測的設計上，系統(tǒng)采用了PT550系列的光敏電阻。PT550對比傳統(tǒng)的CDS光敏電阻有如下優(yōu)點：不含鎘、鉛等有害物質，符合歐盟ROHS標準，適用于各類光照照明產(chǎn)品：如小夜燈，草坪燈等，而且靜態(tài)電流小，響應速度快，性能穩(wěn)定。測量范圍為400～1 100 nm。

LED控制以及光強檢測電路設如圖3所示。

2 軟件設計

2.1 硬件系統(tǒng)程序設計

智能花盆底層主要的工作是對植株生長環(huán)境的檢測以及植株生長狀況的拍攝，硬件系統(tǒng)設定時間通過WiFi往服務器發(fā)送相關數(shù)據(jù)包。同時系統(tǒng)處于監(jiān)聽狀態(tài)， 監(jiān)聽服務器發(fā)來的指令，根據(jù)指令完成相關的任務。硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.2 應用層的設計

應用層APP分為3個部分：環(huán)境信息的獲取顯示，花盆硬件設備的操作，社交平臺交互。環(huán)境信息的獲?。篈PP定時向服務器發(fā)送更新數(shù)據(jù)請求，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性。硬件設備的操作：用戶可根據(jù)當前的環(huán)境狀況，結合植物的最佳生長環(huán)境參數(shù)進行環(huán)境的調節(jié)。社交平臺交戶：系統(tǒng)模擬真實版QQ農場，用戶間可相互查看植株生長狀況以及幫助其他用戶進行植株輔助栽培。應用層系統(tǒng)框架如圖5所示。

2.3 Web服務器的設計

為了解決客戶端兼容性問題，智能花盆系統(tǒng)采用B/S的體系架構，智能花盆web服務器由兩個類組成，包括webserver和webserverhandler，這兩個類是由Thread類派生而來，啟動webserver（）方法創(chuàng)建監(jiān)聽服務器，調用accept（）方法等待客戶的HTTP請求連接，在有客戶端連接時，webserver類產(chǎn)生一個webserverhandle來處理請求。系統(tǒng)框圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)測試

通過系統(tǒng)的硬件模塊設計及軟件實現(xiàn)完成系統(tǒng)開發(fā)，并對系統(tǒng)各模塊功能及整體功能進行調試及性能測試。重點測試自動澆水控制性能，系統(tǒng)相應時間測試結果如下。

（1）土壤檢測系統(tǒng)檢測到土壤濕度不夠時，水泵馬上開始工作，直到土壤檢測濕度為正常。當水位低于指定值時，呼吸燈變紅提示。整個測試經(jīng)歷2天，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，土壤能維持一定的濕度。

（2）由于系統(tǒng)大量模塊化，響應的時間大大影響著整個系統(tǒng)的運作。在單機的花盆測試中，由于系統(tǒng)是1 s間隔執(zhí)行一次對環(huán)境的檢測以及調整，所以單機的自動調劑響應時間是有一定的保證。重點在于硬件系統(tǒng)與服務器連接的響應時間上，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)手機通過無線局域網(wǎng)訪問智能花盆服務器用時小于1 s，而手機通過移動IP網(wǎng)絡訪問服務器時，時間大概在5～8 s。由于種植對數(shù)據(jù)同步不需要十分精確。所以系統(tǒng)測試結果是可以接受的。

經(jīng)過一段時間的測試，智能花盆系統(tǒng)無論從功能上還是性能上，都滿足既定的設計目標，在實際應用過程中發(fā)揮了重要的作用。

4 結語

智能花盆是當前家居家電的新寵，目前該產(chǎn)品處于起步階段，產(chǎn)品的性能、功能和應用模式都處于探索階段，已有產(chǎn)品的智能化和網(wǎng)絡化程度不夠。該設計思維著重于對植株生長條件的研究以及基于花盆所搭建的社交平臺，不僅符合當今現(xiàn)代化的自動化趨勢，還能增強培植的樂趣，具有一定的應用價值和參考價值。

參考文獻

[1] 魏景斌.便攜式土壤濕度檢測儀的研究與設計[D].保定：河北農業(yè)大學，2010.

[2] 韓立群.智能控制理論及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：130-162.

[3] 鄧英春，許永輝.土壤水分測量方法研究綜述[J].水文，2007，27（4）：20-24.

[4] 李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[5] 張學禮，胡振琪，初士立.土壤含水量測定方法研究進展[J].土壤通報，2005，36（1）.

[6] 劉雪松，程顯俠，王沈波.新型溫度傳感器DS18B20 高精度測溫的實現(xiàn)[J].微處理機，2002，5（2）：11-13.

[7] 馮西橋，李駒光，聶雪媛，等.ARM應用系統(tǒng)開發(fā)詳解[M].北京：清華大學出版社，2003：90-96.

[8] 徐愛鈞.IAR EWARM 嵌入式系統(tǒng)編程與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006：123-140.