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        基于單片機(jī)的智能花盆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2017-11-27 19:18:34宋潔王雪
        物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2017年11期
        關(guān)鍵詞:單片機(jī)

        宋潔+王雪

        摘 要:隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,智能化設(shè)備逐漸進(jìn)入到人們的生活中,智能花盆也開始在大眾生活中流行起來。智能花卉種植系統(tǒng)是一種小型種植管理系統(tǒng),通過土壤溫度、土壤濕度和空氣濕度等傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)并獲取植物生長環(huán)境上傳至移動(dòng)端,用戶通過移動(dòng)設(shè)備可掌握一切有關(guān)植物生長的信息,并通過無線GPRS發(fā)送短信提醒用戶對(duì)植物做相應(yīng)的呵護(hù),從而更好地照顧植物健康生長。

        關(guān)鍵詞:單片機(jī);智能花盆;無線;GPRS

        中圖分類號(hào):TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2017)11-00-03

        0 引 言

        隨著人們生活質(zhì)量逐步提高,越來越多的人對(duì)花卉表現(xiàn)出極大的興趣,在家里或公司養(yǎng)盆植物不僅可以陶冶情操,清新空氣,同時(shí)植物在白天可以通過光合作用吸收空氣中的二氧化碳,凈化空氣。在有植物的地方空氣會(huì)變得格外清新,尤其現(xiàn)階段冬季霧霾嚴(yán)重,許多花木可以吸收空氣中的有害氣體,盡量減少霧霾對(duì)人體的傷害。所以在辦公室或家中養(yǎng)盆植物被許多人喜愛,但上班族們工作壓力大且沒有時(shí)間照顧這些花花草草,于是智能花盆系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。國外的智能家用市場已做的非常強(qiáng)大,鑒于中國在全球制造鏈中的重要地位,中國已成為全球各大生產(chǎn)智能家居設(shè)備廠商逐鹿的大戰(zhàn)場,同時(shí),也帶動(dòng)了我國對(duì)智能家居設(shè)備的重視,使家居設(shè)備的研發(fā)和測試技術(shù)都有了非常迅速的發(fā)展。雖然我國自動(dòng)澆水器的項(xiàng)目已經(jīng)存在,但普遍采用普通的澆水器械,智能澆水的產(chǎn)品比較少。目前市場上有很多不同的自動(dòng)澆花器,但僅擁有定時(shí)或定量功能的智能花盆還不夠完善,澆水方式仍采用傳統(tǒng)的雨幕式,不僅無法充分利用水資源,還常會(huì)造成植物附近大面積積水,容易造成植物凋零或死亡,未根據(jù)植物的生長狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的合理灌溉[1]。針對(duì)這些問題,我們?cè)O(shè)計(jì)了智能花卉種植系統(tǒng),該系統(tǒng)通過溫濕度等傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測,并能根據(jù)光照強(qiáng)度或土壤溫濕度等檢測結(jié)果向用戶的移動(dòng)設(shè)備發(fā)送短信,對(duì)植物進(jìn)行自動(dòng)澆水等操作。此花盆操作十分簡單,大大提高了用戶的工作效率。智能家居在人們的生活中得到了越來越多的認(rèn)可和贊同,該智能花盆也基于此理念,所以其發(fā)展前景十分廣闊。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        該智能花盆由傳感器數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、GPRS模塊接受傳送部分和手機(jī)App組成,其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        由溫濕度等傳感器對(duì)土壤和光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)收集至采集卡,然后傳輸?shù)街醒胩幚砥鰿PU, CPU可將數(shù)據(jù)傳送到GPRS模塊, 此模塊將具體的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫,以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類和處理,便于手機(jī)App對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。手機(jī)App向GPRS模塊發(fā)送控制命令,把控制命令發(fā)送給中央處理器CPU對(duì)水泵進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的自動(dòng)澆水等具體功能。同時(shí),鑒于用戶工作時(shí)間緊張,無法一直查看植物的生長環(huán)境和狀態(tài),因此,該系統(tǒng)還可針對(duì)植物的生長環(huán)境狀況,適時(shí)在手機(jī)App上對(duì)用戶進(jìn)行提醒。這些功能的最終實(shí)現(xiàn),將會(huì)充分滿足用戶對(duì)智能花盆的需求,實(shí)現(xiàn)花盆真正的智能化和現(xiàn)代化,讓科技真正走進(jìn)人們的生活,提高用戶的生活質(zhì)量,讓用戶在緊張的工作中得到放松。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        2.1 電源模塊

        本智能花卉種植系統(tǒng)最主要的能量來源是電源模塊,為了讓整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,本設(shè)計(jì)采用+5 V直流電源為單片機(jī)等設(shè)備供電,因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要在辦公室或者家中使用,可采用USB或手機(jī)充電器充電,供電電壓大多為+5 V。采用USB手機(jī)充電器充電的好處在于其通用性和實(shí)用性強(qiáng)[2],使用簡單快捷,方便用戶利用文中設(shè)計(jì)的智能花盆呵護(hù)自己的植物健康生長。

        2.2 單片機(jī)模塊

        單片機(jī)是本智能花盆系統(tǒng)的核心部分,設(shè)計(jì)采用了一款高性能、低功耗,型號(hào)為STC89C52RC的新一代8051單片機(jī)。8051單片機(jī)具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、容易上手等諸多優(yōu)點(diǎn),同時(shí),8051還具有尋址范圍大,運(yùn)算能力強(qiáng)等特點(diǎn)。它具有8 KB程序Flash存儲(chǔ)器,512 B RAM,通用I/O口36個(gè),看門狗定時(shí)器及外部掉電檢測電路等[3-5]。此款8051單片機(jī)充分滿足了本智能花盆系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)的各種需求。

        2.3 傳感器模塊

        傳感器模塊主要包括土壤溫濕度傳感器和空氣濕度傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的采集。溫度傳感器選擇使用DS18B20,通過編程,DS18B20可實(shí)現(xiàn)9~12位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)單線接口送入DS18B20,從DS18B20送出,因此,從單片機(jī)到DS18B20僅需連接一條信號(hào)線和地線即可[6]??諝鉁囟葌鞲衅魇褂肏S1101,這是一款電容式相對(duì)濕度傳感器,此傳感器可廣泛應(yīng)用于辦公室、家庭或汽車駕駛室等,實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣濕度的檢測[7]。另外,利用光敏電阻采集光照強(qiáng)度模擬電壓,光敏電阻采用半導(dǎo)體材料制作、利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電原件。在受光線影響時(shí),其阻值會(huì)逐漸變小,這種變化被稱為光導(dǎo)效應(yīng),因此,光敏電阻又名光導(dǎo)管。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓時(shí),其中便會(huì)有電流通過,當(dāng)適當(dāng)波長的光線照射過來時(shí),電流就會(huì)隨著光強(qiáng)的增加而逐漸變大。利用光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由相應(yīng)的儀器對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理,以達(dá)到自動(dòng)控制等功能[8]。此外,采集卡用于將采集到的光照強(qiáng)度和土壤濕度的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并發(fā)送給處理器。

        2.4 GPRS模塊

        因?yàn)镚PRS用戶依附在網(wǎng)絡(luò)上,所以只要用戶手機(jī)處于開機(jī)狀態(tài),便可隨時(shí)與GPRS網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系,用戶發(fā)出請(qǐng)求后,便可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,使用簡單快捷。傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)在通信時(shí),無論有無數(shù)據(jù)傳送都要獨(dú)自占用信道,而GPRS的“分組”技術(shù)克服了傳統(tǒng)電路交換技術(shù)的缺點(diǎn),只有在數(shù)據(jù)通信時(shí)才會(huì)占用信道資源,實(shí)現(xiàn)了一個(gè)用戶共享多個(gè)信道,也可以多個(gè)用戶共享一個(gè)信道的目標(biāo),提高了信道利用率,適用于數(shù)據(jù)傳輸[9]。幫助此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)真正的無線傳輸,可讓用戶工作之余感受到其中的樂趣。

        3 軟件設(shè)計(jì)endprint

        3.1 個(gè)人數(shù)據(jù)模塊

        個(gè)人數(shù)據(jù)模塊如圖2所示,主要包括登錄用戶個(gè)人信息的顯示,如用戶名、年齡和電話等信息,方便用戶進(jìn)行短信發(fā)送等功能的實(shí)現(xiàn)。同時(shí),數(shù)據(jù)是一種個(gè)人資產(chǎn)[10],現(xiàn)在市場上有部分軟件對(duì)用戶的個(gè)人信息進(jìn)行違法販賣,而本智能花盆系統(tǒng)在絕對(duì)保證用戶隱私的前提下對(duì)用戶的個(gè)人信息進(jìn)行合法使用。

        3.2 折線圖模塊

        對(duì)硬件設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,描點(diǎn)繪圖,以折線圖的形式展現(xiàn)出整個(gè)數(shù)據(jù)的變化趨勢。折線統(tǒng)計(jì)圖是用一定的長度表示一定的數(shù)量,根據(jù)數(shù)值大小描出各點(diǎn),然后把各點(diǎn)用直線依次連接起來。折線統(tǒng)計(jì)圖不僅可以表示數(shù)值大小,還能夠清晰表示數(shù)量增減變化的趨勢。因此,折線圖可以顯示在相等時(shí)間間隔下數(shù)據(jù)的變化趨勢[11]。對(duì)于采集的每一項(xiàng)數(shù)據(jù)——空氣溫度,土壤濕度,土壤溫度,光照強(qiáng)度等都能展現(xiàn)其變化趨勢,方便用戶更加具體、直觀地觀察,提早做好相應(yīng)的保護(hù)措施。

        折線圖模塊如圖3所示。

        3.3 控制模塊

        控制模塊如圖4所示。通過硬件的GPRS模塊接收短信,在GPRS模塊中采用分組通信技術(shù),用戶在數(shù)據(jù)通信時(shí)并不會(huì)固定占用無線信道,所以能夠更加合理地利用信道資源。同時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)短信傳輸、數(shù)據(jù)透明傳輸和語音等功能。當(dāng)用戶點(diǎn)擊“澆水”后,后臺(tái)會(huì)發(fā)送指定的口令短信到水泵,水泵自動(dòng)澆水15 s。用戶不論身處何地,都可以方便快捷地控制自己的智能花盆,不受距離和時(shí)間的限制,實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的實(shí)時(shí)照顧。

        3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

        每次打開App都會(huì)顯示最新采集的數(shù)據(jù),用戶可以在此模塊看到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與植物的健康狀態(tài)。同時(shí),用戶也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最新數(shù)據(jù)的查詢,服務(wù)器端接受查詢命令后,從數(shù)據(jù)庫查詢到準(zhǔn)確數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)返回客戶端,向用戶展示更加直觀的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)較好地消除了未來時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)過去時(shí)點(diǎn)信息的干擾,具有即時(shí)性和不包含噪音信息等優(yōu)點(diǎn)[12]。

        數(shù)據(jù)顯示模塊如圖5所示。

        4 結(jié) 語

        該智能花卉種植系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù),由單片機(jī)控制運(yùn)行,可通過手機(jī)App查看數(shù)據(jù)。智能花盆可對(duì)植物的生長狀況以及周圍的生長環(huán)境進(jìn)行探測、感知并收集數(shù)據(jù),同時(shí)還能自動(dòng)澆水,使家庭種植更加科學(xué)和智能,減少因用戶疏忽或失誤導(dǎo)致作物凋零或死亡的幾率。智能花盆的設(shè)計(jì)給人們緊張的生活帶來了樂趣,符合現(xiàn)代生活的智能化趨勢,具有一定的應(yīng)用和參考價(jià)值。

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