何偉 喬意凡 程萬杰 楊宇航 劉濤 西北民族大學(xué) 軟件工程專業(yè) 甘肅省 蘭州市 730000

關(guān)鍵字：單片機(jī) 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 智能澆水 綠植

1 研究意義

目前市場上的自動(dòng)澆花器的功能正在不斷完善，在國內(nèi)比較流行的是玻璃和陶瓷制作而成的純物理澆花器。這種類型的自動(dòng)澆花器由自身材質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成，根據(jù)器皿的物理原理完成自動(dòng)澆灌。因?yàn)槭峭ㄟ^物理原理自動(dòng)滲透，這樣就可能會(huì)導(dǎo)致很大程度的誤差，從而造成綠植不能很好的生長甚至是死亡。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款智能澆花系統(tǒng)，使用土壤濕度傳感器對(duì)土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，同時(shí)傳送相關(guān)數(shù)據(jù)到用戶移動(dòng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能澆水和能夠根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定完成手動(dòng)控制澆水這兩種功能。這僅解決了綠植無人照料容易枯死的問題，也增加了用戶的體驗(yàn)性和趣味性。同時(shí)，我們將單片機(jī)作為主要模塊，近年來單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，具有集成度高、體積小、可靠性高的特點(diǎn)，深受各行各業(yè)的青睞，這為我們系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的支撐。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆花系統(tǒng)是利用單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)的。自動(dòng)澆花系統(tǒng)的濕度檢測電路是利用土壤進(jìn)行設(shè)置，手動(dòng)灌溉系統(tǒng)由用戶根據(jù)植物實(shí)時(shí)情況發(fā)送指令到繼電器以控制水泵澆灌。自動(dòng)澆花系統(tǒng)的硬件電路由單片機(jī)系統(tǒng)電路、電源的電路、濕度傳感器電路、繼電器、水泵系統(tǒng)共同構(gòu)成的；自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的軟件程序選用高級(jí)語言編程,主要分為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊與互聯(lián)網(wǎng)模塊。數(shù)據(jù)處理的原理是將濕度傳感器收集到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為與之相對(duì)應(yīng)的濕度值，利用板載WIFI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。互聯(lián)網(wǎng)模塊是用戶提前配置好系統(tǒng)后，可以自由查看綠植狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制澆花系統(tǒng)。綠植澆水系統(tǒng)靈活可靠并且操作簡單，最重要的是可實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)軟件部分

在智能化供水系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法，方便了功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖如圖2.4。主要包括以下幾個(gè)模塊。

圖2.4 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 濕度采集模塊

自動(dòng)澆水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)行初始化，得到設(shè)定的濕度值。濕度采集模塊主要包括芯片初始化、寫入段操作、字節(jié)讀取和濕度采集。芯片的讀寫字節(jié)和初始化程序按照器件手冊(cè)工作協(xié)議時(shí)序編寫，初始化程序檢測總線是否存在對(duì)應(yīng)器件，讀寫時(shí)序要注意采樣時(shí)間。濕度采集程序設(shè)計(jì)主要包括濕度檢測模塊的初始化，啟動(dòng)濕度轉(zhuǎn)換和讀取寄存器的程序設(shè)計(jì)，讀取時(shí)先讀取低字節(jié)，再讀取高字節(jié)，最后返回濕度值。經(jīng)過處理之后，將相關(guān)信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新；同時(shí)主循環(huán)判斷當(dāng)前環(huán)境的濕度值，對(duì)比當(dāng)前的土壤濕度值是否低于設(shè)定值，若低于設(shè)定值，繼電器就會(huì)驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行抽水灌溉；若高于設(shè)定值，則不用工作。

2.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊

為了讓用戶能夠?qū)β酚善餍畔⑦M(jìn)行配置，芯片會(huì)廣播一個(gè)WIFI熱點(diǎn)。用戶連接后，就可以配置好路由器信息。為了省電，數(shù)據(jù)傳輸模塊會(huì)定期休眠。當(dāng)系統(tǒng)定期喚醒時(shí)，它會(huì)自動(dòng)連接到路由器并與Internet服務(wù)器交互。

在澆花系統(tǒng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為土壤對(duì)應(yīng)濕度后，利用硬件的WIFI模塊連接上用戶提前配置好的網(wǎng)絡(luò)，并將當(dāng)前土壤濕度、最近一次澆水時(shí)間、日期等信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

在用戶的數(shù)據(jù)接收部分，用戶訪問指定網(wǎng)址后，配合與硬件綁定的賬號(hào)進(jìn)行登陸操作。實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)頁遠(yuǎn)程查看，即用戶可以通過網(wǎng)頁查看相應(yīng)的綠色植物數(shù)據(jù)。這樣用戶即使不在綠植旁邊，也能時(shí)刻了解到植物的情況。

2.1.3 互聯(lián)網(wǎng)模塊

互聯(lián)網(wǎng)模塊主要是由云服務(wù)器構(gòu)成，將澆花系統(tǒng)傳輸?shù)木G植狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，同時(shí)將用戶的指令信息進(jìn)行緩存。為了讓用戶能夠遠(yuǎn)程控制智能澆花系統(tǒng)，通過用戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信交互，即通過控制網(wǎng)頁端的開關(guān)按鈕，可將指令傳遞云端進(jìn)行緩存，每次系統(tǒng)喚醒后,都會(huì)獲取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的緩存命令。因此，用戶訪問指定網(wǎng)址后，輸入命令后，就可以控制硬件端繼電器模塊最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而增加用戶的體驗(yàn)度和趣味性。

在綠植狀態(tài)信息的存儲(chǔ)部分，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器在接收到信息后會(huì)將濕度與數(shù)據(jù)收集部分所得到的閾值進(jìn)行對(duì)比。從而得出綠植現(xiàn)在的生長環(huán)境情況，濕度百分比是否合理，是否可澆水等結(jié)論。用戶在登陸指定網(wǎng)頁后，即可查看相關(guān)結(jié)論，根據(jù)提示決定是否澆水或者是等待濕度低于閾值后系統(tǒng)自動(dòng)澆水。

在用戶指令信息緩存部分，我們會(huì)根據(jù)算法進(jìn)行分析，從而判斷用戶的指令是否合理。如果用戶輸入不相關(guān)指令，則會(huì)給出提示，并不會(huì)對(duì)指令進(jìn)行緩存。只有當(dāng)用戶輸入相關(guān)指令并且指令與當(dāng)前綠植情況不沖突時(shí)，才會(huì)將用戶的指令進(jìn)行緩存。

喚醒后，綠植澆水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊將連接到已配置的網(wǎng)絡(luò)，然后自動(dòng)從互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器獲取命令。在執(zhí)行命令前，首先判斷該指令的唯一編碼是否與硬件部分的編碼一致，避免用戶種養(yǎng)多株綠植時(shí)出現(xiàn)指令混亂的情況。然后會(huì)獲取當(dāng)前時(shí)間與指令時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合最后一次澆水時(shí)間判斷出該指令是否執(zhí)行。

3 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)

(1）該智能澆花系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行緊密結(jié)合，擯棄了傳統(tǒng)澆花器的純物理模式。提高用戶體驗(yàn)度，增加種養(yǎng)綠植的趣味性。讓用戶即使出門在外，也能查看綠植情況。

(2）用戶可以遠(yuǎn)程控制智能澆花系統(tǒng)，解決用戶由于各種原因不能及時(shí)地為綠色植物補(bǔ)充水分及養(yǎng)料的問題，讓用戶時(shí)刻體驗(yàn)種養(yǎng)綠植的樂趣。

(3）相比傳統(tǒng)物理澆花器，能夠精準(zhǔn)的控制澆水量和澆水的最佳時(shí)間。

(4）系統(tǒng)所需硬件部分已經(jīng)發(fā)展的足夠成熟，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

(5）系統(tǒng)占地小，使用方便，易維護(hù)，便于推廣。

目前在國內(nèi)比較流行的是玻璃和陶瓷制作而成的純物理澆花器和自動(dòng)定時(shí)澆花器。這兩種澆花器都有其明顯的缺點(diǎn)。純物理澆花器利用滲透原理進(jìn)行澆花，這大大降低的澆水量的精確度，澆水時(shí)間也得不到控制。而定時(shí)澆花器因?yàn)槭枪潭〞r(shí)間澆花，無法根據(jù)環(huán)境的具體情況，土壤的具體濕度進(jìn)行澆水。所以我們的智能澆花系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)澆花器的缺點(diǎn)，而且增加了互聯(lián)網(wǎng)模塊，讓用戶即使外出也能開心的種養(yǎng)綠植。