文 上海大學(xué)附屬中學(xué) 高心遠(yuǎn)

一、系統(tǒng)總體組成

智能培育系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境中的光照、濕度和溫度，當(dāng)這些參數(shù)不利于植物生長(zhǎng)時(shí)，可自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需人工干預(yù)。

該系統(tǒng)主要由花盆、控制器、監(jiān)測(cè)裝置、水泵、繼電器組、補(bǔ)光燈、加熱器、手動(dòng)按鈕、OLED液晶顯示器、單片機(jī)與云服務(wù)器雙向數(shù)據(jù)無(wú)線傳送模塊、軟件控制代碼、手機(jī)App遠(yuǎn)程控制程序等組成。

圖1為系統(tǒng)示意圖與最終完成的實(shí)物圖。上述所有單元全部由一個(gè)單片機(jī)進(jìn)行采樣與控制，例如單片機(jī)控制繼電器組，實(shí)現(xiàn)水泵、加熱器、補(bǔ)光燈的通斷。

圖1 觀賞性植物智能培育系統(tǒng)

二、控制與監(jiān)測(cè)

利用Protel99軟件設(shè)計(jì)一塊印刷電路板，將單片機(jī)、OLED液晶顯示器、手動(dòng)按鈕等弱電部分全部焊接在該電路板上。單片機(jī)為ATMEL公司AT89系列的STC51芯片，采用C語(yǔ)言編程。利用芯片內(nèi)置的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)對(duì)外界溫度、濕度、光照的采樣與轉(zhuǎn)換。

光照傳感器采用BH1710模塊。為了符合植物的生長(zhǎng)周期并防止誤判，采用DS3231時(shí)鐘芯片判斷時(shí)間，以區(qū)別是白天還是黑夜。當(dāng)白天光照不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開補(bǔ)光燈，夜晚則關(guān)閉。

溫度傳感器DS18B20模塊對(duì)溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)?shù)陀谶m宜溫度時(shí)，通過(guò)陶瓷加熱燈升溫。

圖2 單片機(jī)控制系統(tǒng)

濕度傳感器可檢測(cè)土壤的濕度，當(dāng)濕度過(guò)低時(shí)，控制水泵為植物澆水。

三、在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控

對(duì)光照、溫度和濕度能自動(dòng)檢測(cè)和智能化調(diào)節(jié)是本系統(tǒng)的特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，我還設(shè)計(jì)了在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)和無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控采用OLED液晶顯示器與手動(dòng)按鈕修改門檻值結(jié)合的方式。通過(guò)單片機(jī)的采樣與計(jì)算，將光照等實(shí)時(shí)狀態(tài)直觀地顯示在液晶屏上。安裝手動(dòng)按鈕時(shí)需解決按鍵時(shí)的抖動(dòng)問(wèn)題，可通過(guò)軟件編程中合理延時(shí)的辦法避免系統(tǒng)誤判動(dòng)作。

考慮到大規(guī)模商業(yè)種植的集中管理問(wèn)題，同時(shí)兼顧本方案的現(xiàn)實(shí)情況，我又設(shè)計(jì)了一套無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備在線現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的所有功能，用戶通過(guò)手機(jī)App或電腦就能查看光照、溫度、濕度等實(shí)時(shí)參數(shù)，還能根據(jù)植物品種的不同，設(shè)置環(huán)境參數(shù)的最優(yōu)值或門檻值。

圖3 無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

開發(fā)的App基于Android平臺(tái)手機(jī)，通過(guò)該App可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控植物所處的環(huán)境，并重新設(shè)定不同植物適宜的環(huán)境參數(shù)。

四、系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言，基于Keil編譯環(huán)境。主要包含溫度監(jiān)測(cè)與控制、濕度監(jiān)測(cè)與控制、光照監(jiān)測(cè)與控制、液晶顯示、無(wú)線通信5個(gè)模塊。程序關(guān)鍵環(huán)節(jié)的流程見(jiàn)圖4。

圖4 程序流程圖

其中，中斷針對(duì)手動(dòng)按鈕控制與無(wú)線遠(yuǎn)程控制兩種方式，以時(shí)間先后為準(zhǔn)，按照中斷發(fā)生的先后次序進(jìn)行響應(yīng)。也就是說(shuō)，全部中斷采用同一個(gè)優(yōu)先級(jí)。

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.分析了溫度、濕度、光照這三個(gè)對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要的影響因素。

2.利用Protel99軟件設(shè)計(jì)了印刷電路板，用于安裝單片機(jī)、檢測(cè)、顯示、無(wú)線通信等模塊。采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的控制代碼，讓系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

3.觀賞性植物智能培育系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度、濕度和光照，通過(guò)App還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，既可以應(yīng)用于家庭養(yǎng)植，對(duì)大規(guī)模商業(yè)種植也有一定的借鑒意義。