張棚，張子璇，楊卓，韓鳳霞

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基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)＊

張棚1，張子璇1，楊卓1，韓鳳霞2

（1.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京信息科技大學(xué) 機(jī)電實(shí)習(xí)中心，北京 100192）

為了滿足長時(shí)間無人照看珍貴綠植的灌溉需求，及節(jié)省溫室大棚的批量化生產(chǎn)的人力資源，開發(fā)了高效、精準(zhǔn)、便利的遠(yuǎn)程綠植管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino單片機(jī)為控制核心，利用溫濕度傳感器等對當(dāng)前土壤環(huán)境及空間環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以調(diào)整水泵的出水時(shí)間和出水量。同時(shí)，通過藍(lán)牙模塊配合占有率最高Android手機(jī)操作系統(tǒng)，用戶可以直觀地看到各類參數(shù)并且可以手動設(shè)定澆花臨界值，以解決無人看管情況下的自動灌溉及批量綠植養(yǎng)殖的人工成本問題。

Arduino；Android；傳感器；自動澆灌

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人們對居住的環(huán)境要求越來越高。在家中種植綠植不僅可陶冶我們的情操、豐富業(yè)余生活，也能凈化空氣。在日常生活中，上班族因工作、出差或旅行等原因缺少照料綠植的時(shí)間，學(xué)校辦公室、教室的花卉在寒暑假時(shí)因長時(shí)間無人定期澆水也會枯死；對于溫室大棚的苗圃種植來說，每種綠植所對應(yīng)不同的需水量，需要人們花時(shí)間思考，如何降低人工成本，實(shí)現(xiàn)收益的最大化，是亟待解決的問題。

近幾年來，國內(nèi)市場上出現(xiàn)了多種自動澆灌的設(shè)備，工作原理不盡相同，市面上自動澆灌系統(tǒng)更多用于苗圃基地等大型場所，尤其是在自動澆灌系統(tǒng)較為成熟的國外，比如Droplet系統(tǒng)，主要采用了最新的自動技術(shù)和可連接設(shè)備，并使用了云計(jì)算服務(wù)。無論在哪里，都可以通過智能手機(jī)、平板或者電腦等連網(wǎng)設(shè)備對 Droplet系統(tǒng)進(jìn)行控制和配置。但相比于中小型苗圃種植者來說，這樣的澆灌系統(tǒng)較為昂貴，而且噴灌的方式也不適合家庭綠植所處的狹小空間。

目前，市場上可供選擇的新型澆花系統(tǒng)在參數(shù)獲取方面做的非常精確，在網(wǎng)絡(luò)連接方面采用WiFi、Zigbee等模塊實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)頁、手機(jī)等的配合，并且一些系統(tǒng)還能運(yùn)用到智能農(nóng)業(yè)當(dāng)中。但目前國內(nèi)較少使用Arduino進(jìn)行核心控制，并且在人機(jī)交互等方面還存在著很多不足，無法滿足日益增長的客戶需求?；谀壳暗臐补嘞到y(tǒng)存在的一些問題和缺陷，需要設(shè)計(jì)一款可以讓用戶很直觀地獲得各種監(jiān)測數(shù)據(jù)并且能夠遠(yuǎn)控制的智能澆灌系統(tǒng)?；贏rduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)則滿足要求。

1 設(shè)計(jì)思路

本文所設(shè)計(jì)自動澆灌系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個(gè)方面，硬件系統(tǒng)主要由以Arduino為控制核心的傳感器組和以水泵為主的澆灌執(zhí)行系統(tǒng)組成，包括Arduino UNO開發(fā)板、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、光強(qiáng)檢測模塊、水位監(jiān)測模塊、藍(lán)牙模塊、澆灌執(zhí)行模塊等。軟件系統(tǒng)則依靠Google公司專門開發(fā)的一款圖形化編程軟件App Inventor搭建，在Android系統(tǒng)中依靠藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Arduino MEGA2560

隨著單片機(jī)性能的不斷提高，市面上可供選擇的單片機(jī)種類也越來越多。相比于價(jià)格昂貴并且適用于Linux系統(tǒng)的Raspberry Pi主板來說，Arduino UNO具有極強(qiáng)的開發(fā)性，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)。

Arduino MEGA2560的核心是有54個(gè)數(shù)字I/O接口和15個(gè)模擬量I/O接口的ATmega2560單片機(jī)，并且其軟件部分Arduino IDE基于processing IDE開發(fā)，是一個(gè)完全開源的平臺。在USB供電或者外部直流電源供電的條件下能支持3.3 V及5 V輸出。

Arduino MEGA2560開發(fā)板如圖2所示。

2.2 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用SH-HC-06模塊。該模塊采用英國CSR公司芯片，兼容市場上的HC-06模塊，遵循藍(lán)牙V2.0+EDR藍(lán)牙規(guī)范，最高傳輸速率可達(dá)2.1 M，傳輸距離超過20 m。本模塊支持UART接口、SPP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏、性能高等優(yōu)點(diǎn)，只需要配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的功能。在軟件方面，支持AT指令，用戶可以根據(jù)需要使用AT指令更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。

圖2 Arduino MEGA2560開發(fā)板

2.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度傳感器。該模塊功耗低且抗干擾能力強(qiáng)，具有超長的信號傳輸距離和長期的穩(wěn)定性，單線制串行接口使系統(tǒng)集成簡單快捷，滿足家庭綠植所處環(huán)境中的溫濕度檢測需求。在工作時(shí)，Arduino核心控制器發(fā)送信號，DHT11由低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贍顟B(tài)，采集當(dāng)前狀態(tài)的各參數(shù)量，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送?？刂贫碎_始接收并保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，用戶能夠通過手機(jī)軟件直觀看到綠植所處環(huán)境中的相應(yīng)參數(shù)值。

2.4 光強(qiáng)度檢測模塊

光強(qiáng)度檢測模塊采用光敏二極管。光敏二極管對環(huán)境光強(qiáng)最敏感，可用于檢測周圍環(huán)境的亮度和光強(qiáng)，在環(huán)境無光或光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，對外輸出高電平，反之則輸出低電平。光敏二極管通過一個(gè)引腳和Arduino MEGA2560的一個(gè)I/O口相連，單片機(jī)從而獲得環(huán)境光照強(qiáng)度值。由于不同植物對光照強(qiáng)度的敏感程度不同，在控制端接收并保存光照強(qiáng)度參數(shù)后與設(shè)定的閥值相比，再結(jié)合溫濕度后做出是否能澆灌的決定。

2.5 水位監(jiān)測模塊

水位監(jiān)測模塊采用Water Sensor水位傳感器，Water Sensor水位傳感器的工作溫度為10～30 ℃，工作濕度為10%～90%無凝結(jié)。該傳感器是通過具有一系列的暴露的平行導(dǎo)線線跡測量所處環(huán)境中水量大小而判斷水位。在完成水量到模擬信號的轉(zhuǎn)換后，輸出的模擬值直接被Arduino開發(fā)板讀取，如果得到的水位低于水泵正常工作水位，為了避免水泵因?yàn)榭辙D(zhuǎn)而燒壞，手機(jī)軟件界面會提醒用戶水位不足以達(dá)到監(jiān)測水位目的。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)軟件開發(fā)

手機(jī)軟件是硬件系統(tǒng)與客戶間實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和遠(yuǎn)程控制的媒介，軟件界面主要包括實(shí)時(shí)參數(shù)顯示、是否達(dá)到澆灌條件判斷、人為控制澆灌選項(xiàng)等。手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)通過APP Inventor完成。

手機(jī)軟件的主要功能如下：①實(shí)時(shí)參數(shù)顯示。包括實(shí)時(shí)的溫度、濕度、水位、光照強(qiáng)度顯示，用戶能夠很直觀地看到環(huán)境參數(shù)。②顯示是否達(dá)到設(shè)定的澆灌條件。在溫度、濕度、光照條件等都滿足，且供水充足的條件下，顯示達(dá)到澆灌條件。③人為澆灌控制。在傳感器出現(xiàn)故障，根據(jù)澆灌周期等經(jīng)驗(yàn)因素判斷達(dá)到了澆灌條件時(shí)，可以人為控制澆灌。④周期性澆灌。根據(jù)用戶使用澆灌系統(tǒng)一段時(shí)間后，可以控制硬件進(jìn)行周期性的澆灌。

圖3 各傳感器連接圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括溫度檢測、濕度檢測、光照強(qiáng)度檢測、水位檢測及藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸。其中，土壤濕度值的檢測關(guān)鍵點(diǎn)，是通過對其實(shí)時(shí)值的采集、處理，然后與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，進(jìn)而決定是否控制水泵進(jìn)行澆灌。溫度值和光照值的采集主要從生物的角度考慮，較高溫度或較低溫度條件下，以及較強(qiáng)光照條件下，澆灌都不利于植物的生長，所以，可以通過人為設(shè)定閾值范圍，從而進(jìn)行判斷。水位傳感器檢測供水是否充足以保護(hù)水泵。

4 結(jié)束語

由于每種綠植在不同環(huán)境參數(shù)下的水分需求量不同，本系統(tǒng)主要針對于一種或一類的植物進(jìn)行精確澆灌以達(dá)到科學(xué)種植的目的。通過Android系統(tǒng)將Arduino單片機(jī)讀取到的各類參數(shù)可視化地呈現(xiàn)在軟件界面，能夠在用戶不在的條件下更好地管理家庭綠植。通過大量實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)，可從環(huán)境和用戶兩方面考慮實(shí)現(xiàn)在無人的條件下達(dá)到自主澆灌的目的，并且可以根據(jù)用戶的設(shè)置實(shí)現(xiàn)周期性的澆灌，具有較好的開發(fā)價(jià)值。

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張棚（1997—），男，四川成都人，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目“基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”（編號：5111823104）

2095－6835（2019）02－0030－02

TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.030

〔編輯：張思楠〕