楊潞霞

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030031)

基于Arduino的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊潞霞

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院信息學(xué)院，山西 太原 030031)

設(shè)計(jì)了一種以Arduino為核心控制芯片的智能澆花系統(tǒng)，包括有Arduino UNO控制芯片，溫濕度傳感器模塊，太陽(yáng)能供電模塊、LCD顯示模塊、藍(lán)牙通信模塊等。該系統(tǒng)運(yùn)行有兩種模式，一為自動(dòng)模式，主要是利用土壤濕度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)土壤濕度信息的采集，并通過(guò)Arduino對(duì)信息進(jìn)行分析處理，來(lái)控制水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉；二為手動(dòng)模式，系統(tǒng)可通過(guò)手機(jī)APP來(lái)實(shí)時(shí)獲取土壤信息情況，并根據(jù)實(shí)際情況用手機(jī)控制適時(shí)適量澆花。系統(tǒng)采用太陽(yáng)能加電池供電的方式，運(yùn)行安全可靠，適用于所有的盆栽植物，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低，在現(xiàn)實(shí)生活中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

Arduino UNO芯片；智能澆花；土壤濕度傳感器；藍(lán)牙通信；水泵

隨著科技的發(fā)展，我們跑步進(jìn)入了智能化時(shí)代，智慧城市、智能之家等都逐漸映入眼簾。我們充分享受著智能帶來(lái)的便捷，交通智能化方便了我們的出行，微型計(jì)算機(jī)代替人腦完成復(fù)雜計(jì)算，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在地球上編織了一張大網(wǎng)，讓人與人之間的距離縮近，這一切都改變著我們的生活。閑暇之際，養(yǎng)花成了現(xiàn)代人陶冶情操的方式，但是，經(jīng)常旅游出差等卻總是讓愛(ài)花幾近凋謝。為解決這一問(wèn)題，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一些澆花裝置[1-3]，主要分為兩類:一類是以物理虹吸原理，即利用滲透的方式來(lái)自動(dòng)澆水，另一類是利用簡(jiǎn)單的定時(shí)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。由于這些澆花系統(tǒng)檢測(cè)方式單一，無(wú)法根據(jù)土壤濕度來(lái)達(dá)到實(shí)時(shí)澆水，因此往往出現(xiàn)花卉干枯或者過(guò)澇死亡的現(xiàn)象。本文提出一種新的智能化的澆花系統(tǒng)，在太陽(yáng)能加電池的穩(wěn)定電源供電下，通過(guò)土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)花卉的情況，核心處理器Arduino將傳感器得到的信息進(jìn)行判斷處理，并及時(shí)給出控制系統(tǒng)信號(hào)，從而控制水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)按需澆花；此外，系統(tǒng)藍(lán)牙模塊可以與手機(jī)通信，用戶能隨時(shí)自動(dòng)接收花卉的當(dāng)前狀況，這彌補(bǔ)提升了當(dāng)前市場(chǎng)上澆花裝置的不足。

1 澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

利用Arduino為主要控制芯片，由土壤濕度采集模塊、外界溫度采集模塊、藍(lán)牙通信模塊、控制水泵模塊和顯示模塊五大部分組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該智能澆花系統(tǒng)擁有兩種工作模式：一種是自動(dòng)模式，另一種是手動(dòng)模式。

圖1 澆花系統(tǒng)總體框架圖

自動(dòng)模式是根據(jù)預(yù)先設(shè)定土壤干濕度，室內(nèi)溫濕度的閾值，來(lái)判斷澆花系統(tǒng)是否應(yīng)該自動(dòng)啟動(dòng)；利用土壤濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤的含水量，溫濕度傳感器檢測(cè)植物環(huán)境溫濕度，并將檢測(cè)到的信號(hào)傳給控制器Arduino UNO，經(jīng)過(guò)與預(yù)設(shè)值的比較判斷，如果需要澆水則驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)澆水，如果不需要Arduino會(huì)進(jìn)入斷電模式，系統(tǒng)可以適應(yīng)不同的土壤和環(huán)境進(jìn)行設(shè)定。

另一種為手動(dòng)模式，通過(guò)用戶手機(jī)藍(lán)牙與系統(tǒng)的藍(lán)牙連接完成后，借助手機(jī)APP即可獲得當(dāng)前土壤的濕度情況，植物所在的環(huán)境溫度狀況，通過(guò)輸入對(duì)應(yīng)的指令，來(lái)控制澆花系統(tǒng)的運(yùn)行和停止。如果斷開(kāi)藍(lán)牙的連接，則系統(tǒng)自動(dòng)還原為自動(dòng)模式。

每種工作模式下的傳感器采集值都可以通過(guò)LCD顯示屏實(shí)時(shí)檢測(cè)觀察。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用了Arduino UNO作為核心控制芯片，通過(guò)杜邦線與其他部件相連。利用土壤濕度傳感器、DTH11溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)花卉情況，其中土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)采集土壤的濕度值，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，DTH11溫度傳感器來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度，傳感器將得到的信息通過(guò)杜邦線傳遞給Arduino進(jìn)行判斷處理；Arduino利用電磁繼電器控制電路通斷，控制在儲(chǔ)水箱中的水泵來(lái)達(dá)到澆水。水位計(jì)來(lái)檢測(cè)儲(chǔ)水箱中的水量，提醒用戶及時(shí)向儲(chǔ)水箱加水；該系統(tǒng)加入LCD1602模塊來(lái)顯示花卉實(shí)時(shí)情況，每?jī)擅敫乱淮?；并且系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)相連，用戶可以隨時(shí)接收自動(dòng)花卉當(dāng)前的情況，全程通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)供電，節(jié)約能源安全可靠。

2.1 控制核心

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)的控制器為Arduino UNO，Arduino UNO與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)Arduino控制系統(tǒng)[4]。Arduino UNO作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板[5]。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)，6路模擬輸入，一個(gè)16 MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。Arduino各模塊較獨(dú)立。Arduino UNO實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 通訊模塊

通訊方式為藍(lán)牙，藍(lán)牙是一種低成本大容量的短距離無(wú)線通信規(guī)范，本系統(tǒng)中的藍(lán)牙模塊與手機(jī)中的藍(lán)牙相連接，可通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙APP向系統(tǒng)發(fā)送指令，藍(lán)牙模塊接收指令后，以串口的方式發(fā)送指令到Arduino[6,7]。用戶可以通過(guò)手機(jī)連接系統(tǒng)的藍(lán)牙串口APP進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢測(cè)，并根據(jù)收到的濕度值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)始澆水或停止?jié)菜闹噶?，人為地控制澆水時(shí)間澆水量；同時(shí)，用戶也可利用手機(jī)將系統(tǒng)調(diào)節(jié)為自動(dòng)模式，進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)管理。本產(chǎn)品采用藍(lán)牙通訊模塊如圖3所示。

圖2 Arduino UNO實(shí)物圖

圖3 藍(lán)牙模塊

2.3 傳感器模塊

本設(shè)計(jì)主要利用了土壤濕度傳感器，DHT11溫度傳感器，旋轉(zhuǎn)傳感器。土壤濕度傳感器模塊用于檢測(cè)土壤的濕度，傳感器能實(shí)時(shí)采集土壤的濕度值，將濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，此信號(hào)通過(guò)杜邦線傳送到Arduino，供Arduino對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，將檢測(cè)到的濕度值與預(yù)設(shè)的濕度閾值進(jìn)行比較[8]，若小于預(yù)設(shè)閾值則啟動(dòng)系統(tǒng)，大于預(yù)設(shè)值則停止?jié)菜?。DHT11溫度傳感器主要用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度，若需要澆水，則驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)進(jìn)行澆水，其輸出波形穩(wěn)定，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作電壓為3.3 V～5 V，可直接將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)穩(wěn)定，適用環(huán)境廣泛。

2.4 LCD顯示屏模塊

本產(chǎn)品為了能夠直觀顯示檢測(cè)值，選用LCD1602模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。該模塊實(shí)現(xiàn)包括土壤濕度、室溫、室內(nèi)空氣濕度、儲(chǔ)水箱水量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示，每隔兩秒更新一次相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶可隨時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前花卉及環(huán)境的相關(guān)狀況，同時(shí)可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)自行照顧花卉。

2.5 太陽(yáng)能供電模塊

太陽(yáng)能電池板(Solar panel)是通過(guò)吸收太陽(yáng)光，將太陽(yáng)輻射能通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接或間接轉(zhuǎn)換成電能的裝置，屬于更節(jié)能環(huán)保的綠色產(chǎn)品。當(dāng)光源充足時(shí)，太陽(yáng)能電池板將轉(zhuǎn)化的電能存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)無(wú)光源或斷電時(shí)，啟動(dòng)備用電源為系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的正常工作。自制的太陽(yáng)能電池板如圖4所示。

圖4 自制太陽(yáng)能電池板

2.6 水位計(jì)模塊

壓力式水位計(jì)是根據(jù)壓力與水深成正比關(guān)系的靜水壓力原理，運(yùn)用壓敏元件作傳感器的水位計(jì)。當(dāng)傳感器固定在儲(chǔ)水箱水下某一測(cè)點(diǎn)時(shí)，該測(cè)點(diǎn)以上水柱壓力高度加上該點(diǎn)高程，即可間接地測(cè)出水位，當(dāng)水位低于預(yù)設(shè)水位時(shí)，向用戶發(fā)出一個(gè)提示信息，提醒用戶向儲(chǔ)水箱注入適量的水，便于用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.7 硬件連接

各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)都需要在Arduino UNO控制芯片的基礎(chǔ)上將各個(gè)主要實(shí)現(xiàn)功能的硬件連接起來(lái)。利用Arduino UNO作為控制芯片，并將其余硬件模塊(參考硬件連接)用導(dǎo)線或其他硬件連接方式連接到與程序相對(duì)應(yīng)的Arduino各個(gè)數(shù)字，模擬口。本產(chǎn)品選取硬件與Arduino接口連接情況如表1所示。

表1 Arduino UNO控制芯片連接硬件情況表

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 Arduino芯片核心程序設(shè)計(jì)

Arduino作為主要控制芯片，要實(shí)現(xiàn)預(yù)想的澆花系統(tǒng)功能，需要利用Arduino插件進(jìn)行程序的編寫。

當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，Arduino開(kāi)始對(duì)程序進(jìn)行初始化，隨后等待上位機(jī)發(fā)出指令，接收到指令后，對(duì)程序相關(guān)設(shè)定參數(shù)進(jìn)行更新(包括土壤濕度、室溫等)，然后開(kāi)始檢測(cè)土壤濕度，在當(dāng)前濕度監(jiān)測(cè)值傳回上位機(jī)后，系統(tǒng)將把檢測(cè)值與預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)值低于預(yù)設(shè)值時(shí)，Arduino驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)進(jìn)行工作，此時(shí)土壤濕度將隨著水量的增加而增加，直到檢測(cè)值大于設(shè)定值時(shí)，水泵停止工作，具體工作流程如圖5所示。

圖5 主控程序設(shè)計(jì)流程圖

3.2 手機(jī)藍(lán)牙APP設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙APP程序與系統(tǒng)的藍(lán)牙模塊相連，實(shí)現(xiàn)工作模式的轉(zhuǎn)換，自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，如選擇手動(dòng)模式，即要向控制器發(fā)送指令，用手機(jī)合理實(shí)時(shí)地控制系統(tǒng)的工作與否，并且系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)及時(shí)地反饋系統(tǒng)當(dāng)前的溫濕度值。該APP程序的功能包括：登錄界面、主功能界面和參數(shù)設(shè)置，其中主功能界面的設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 手機(jī)APP主功能界面

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用Arduino作為控制芯片，針對(duì)智能化灌溉和人性化遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款智能澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在家時(shí)設(shè)置成手動(dòng)模式，根據(jù)藍(lán)牙APP傳回的土壤溫濕度值合理地用手機(jī)控制水泵的開(kāi)啟與關(guān)閉；也可以出門時(shí)選擇自動(dòng)模式，由系統(tǒng)根據(jù)花盆中土壤濕度來(lái)控制水泵的開(kāi)啟與停止；此外，系統(tǒng)的太陽(yáng)能持續(xù)穩(wěn)定供電保證系統(tǒng)地穩(wěn)定運(yùn)行。將該設(shè)計(jì)放入辦公室的花盆進(jìn)行使用，實(shí)驗(yàn)證明本設(shè)計(jì)基本能實(shí)現(xiàn)按需澆水，后續(xù)可以繼續(xù)

升級(jí)，并可以為溫室大棚灌溉、園林灌溉等智能化的植物灌溉系統(tǒng)提供一定的參考價(jià)值。

[1] 劉川,張小成,高進(jìn)淵,等.智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)研究[J].科技視界,2015(18):87-88.

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DesignandImplementationofIntelligentWateringSystemBasedonArduino

Yang Luxia

(SchoolofInformation,BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

This paper designs a kind of intelligent watering system based on Arduino, which takes Arduino UNO as the control chip, and includes temperature and humidity sensor module, solar cell, LCD display module, bluetooth communication module and so on. There are two kinds of system operation mode, one is the automatic mode, the real-time soil relative humidity by soil moisture sensor is detected, water pump is controlled by information processing and analysis on Arduino; the second is the manual mode, the system can get real-time soil information by mobile phone APP, and adopts the phone to control right amount and timely water the flowers according to actual situation. The system operation is safe and reliable with the features of simple structure, easy operating and low costs for power system of solar cell. It is used in all the potted plants, and has very good application value.

Arduino UNO chip; intelligent watering; soil moisture sensor; bluetooth communication

2017-10-25

山西省面上青年基金項(xiàng)目(201701D221103)；山西省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題(GH-16182)

楊潞霞(1979-)，女，山西陽(yáng)城人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)槲⒓{技術(shù)與儀器、物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)與應(yīng)用。

1674- 4578(2017)06- 0046- 04

TP273

A