韓夢(mèng)迪，劉 明，王 帥，汪 旋，宋 杰，范澳東

(南通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，城市化腳步加快，城市人口密度越來越大，高樓大廈遍地開花，綠色美景越來越少，人們?cè)絹碓娇释麚碛幸粋€(gè)自然和諧、舒適安寧的綠色環(huán)境，而家庭花卉養(yǎng)植使得這一切成為可能。室內(nèi)種植花草不僅對(duì)室內(nèi)的空氣有一定的凈化作用，而且對(duì)身心健康有極大的好處，使生活更加愉悅美好。然而目前家庭花卉的養(yǎng)護(hù)仍然以人工為主，養(yǎng)護(hù)者往往缺乏技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，無法對(duì)花卉養(yǎng)護(hù)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析和處理，無法精準(zhǔn)地控制花卉的灌溉和施肥，難以保證花卉的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，甚至由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致花草凋謝枯死，反而污染室內(nèi)空氣，不利于健康。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1-2]，研發(fā)設(shè)計(jì)一套適合“懶人”養(yǎng)花的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)[3-4]對(duì)現(xiàn)階段的家庭花卉種植具有重要的實(shí)用價(jià)值。

目前國內(nèi)外已有大量能夠?qū)崿F(xiàn)植物智能養(yǎng)護(hù)、培育的設(shè)備，比如McCready通過對(duì)土壤濕度和蒸騰量[5]等的提取進(jìn)行智能灌溉；Click和Grow設(shè)計(jì)了一款具備自動(dòng)澆水和施肥功能的智能花盆[6]；英國的皮特森設(shè)計(jì)了一款智能花盆，該花盆能通過發(fā)出不同聲音來表達(dá)自身的需求[7]；日本水內(nèi)郁夫研制了一款機(jī)器人花盆，該花盆可以根據(jù)需要進(jìn)行移動(dòng)來滿足花卉的溫度和光照需求[8]；國內(nèi)合鳴科技、小米公司等也有相關(guān)智能花盆的研究，并且產(chǎn)品已在京東、淘寶熱銷[8-9]。為了實(shí)現(xiàn)花卉的智能管理，提高花卉的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，本文通過Arduino硬件開發(fā)平臺(tái)、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云端平臺(tái)及相關(guān)通信協(xié)議、移動(dòng)手機(jī)終端、相關(guān)控制模塊、相關(guān)傳感器和智能花房監(jiān)控所需功能研究分析，設(shè)計(jì)了一套能滿足實(shí)際需求的家庭式花房智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由智能花架裝置、供電裝置、智能控制器、物聯(lián)網(wǎng)通信設(shè)備、PC或智能移動(dòng)設(shè)備組成。使用Arduino硬件開發(fā)平臺(tái)為主微控制器單元(MUC)，通過環(huán)境溫度檢測(cè)電路、土壤濕度檢測(cè)電路、光照強(qiáng)度檢測(cè)電路和水位檢測(cè)電路將數(shù)據(jù)上傳給ESP8266模塊，再由ESP8266模塊與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信，在智能手機(jī)終端可隨時(shí)查看花房環(huán)境信息。通過智能手機(jī)APP不僅可以看到實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以手動(dòng)操控澆水以及選擇澆水的模式。

1.2 花房外觀設(shè)計(jì)

為了方便用戶澆灌花卉，需設(shè)計(jì)一個(gè)花房來放置花卉，這里將花架設(shè)計(jì)成三層，每一層放置同種類的花卉以方便澆灌。花房最下方為水箱，一方面能夠蓄水供澆灌使用，另一方面也可以防止過度灌溉或其他原因?qū)е滤疄⒊龆軡竦孛妫哂幸欢ūＷo(hù)作用。圖1所示為花房外觀圖。

圖1 花房外觀圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)硬件主要包括Arduino硬件開發(fā)平臺(tái)、ESP8266 WiFi模塊、PC或移動(dòng)智能手機(jī)、用于采集各類環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器、水泵、指示燈等。通過Arduino硬件開發(fā)平臺(tái)將采集的各類數(shù)據(jù)上傳給ESP8266模塊，再由ESP8266模塊與機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行通信，在智能手機(jī)終端可隨時(shí)查看花房環(huán)境信息。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 電源模塊

光-電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光-電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流。當(dāng)許多個(gè)電池串聯(lián)或并聯(lián)起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用;與火力發(fā)電相比，太陽能電池不會(huì)引起環(huán)境污染。

2.3 ESP8266模塊

本文采用GoKit-SoC-ESP8266作為一個(gè)入網(wǎng)模塊，它是機(jī)智云推出的樂鑫ESP8266升級(jí)版配套組件，其意義在于幫助傳統(tǒng)硬件如Arduino、STM32甚至STC51等單片機(jī)快速接入互聯(lián)網(wǎng)。完成入網(wǎng)之后，則可以在自己選擇的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、智能手機(jī)終端、Arduino之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

2.4 溫濕度傳感器模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是市面上最常見的一款溫濕度傳感器，可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性，本文運(yùn)用該模塊測(cè)量環(huán)境溫濕度。

2.5 土壤濕度傳感器模塊

為了測(cè)量土壤中的濕度，選用YL-69土壤濕度傳感器。YL-69土壤濕度傳感器模塊一共有四個(gè)接口，其中D0為數(shù)字量輸出，A0為模擬量輸出。本文采用從A0端輸出，它通過ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換可以輸出更加準(zhǔn)確的土壤濕度值。

2.6 光照強(qiáng)度傳感器模塊

為了測(cè)量環(huán)境中的光照強(qiáng)度，選用GY-30光照強(qiáng)度傳感器。GY-30可測(cè)量大多數(shù)光源的光強(qiáng)如陽光、白熾燈等，而對(duì)紅外線的影響很小。

2.7 水位傳感器模塊

本文根據(jù)水箱高度的實(shí)際情況，自制一種分段式水位傳感器，如圖3所示，傳感器電源端VCC外接上拉電阻3.3 V，保證電路穩(wěn)定，GND接地，S端接Arduino的I/O口，讀取對(duì)應(yīng)電壓值。

圖3 水位傳感器模塊電路圖

2.8 水泵模塊

本系統(tǒng)選用12 V小水泵，流量為1 L/min，吸程為3 m。此水泵優(yōu)點(diǎn)很多，例如有“自吸”功能，即抽水前不用加引水，還使用無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，體積超小，安全，可長時(shí)間空轉(zhuǎn)，擁有完善的自我保護(hù)自動(dòng)停機(jī)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 空氣溫度檢測(cè)子系統(tǒng)

空氣溫度檢測(cè)子系統(tǒng)用到的傳感器為DHT11，通過程序?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)上傳給機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。Arduino通過程序設(shè)定判斷數(shù)據(jù)是否超過上限值，以此為據(jù)使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，提醒用戶此時(shí)的生長環(huán)境并不是花卉生長的最佳環(huán)境，可以采取有效的保護(hù)花草植物的措施，例如選擇噴灌模式手動(dòng)澆水，以防花卉受到傷害。圖4為溫度檢測(cè)流程圖。

圖4 溫度檢測(cè)流程圖

3.2 土壤濕度檢測(cè)子系統(tǒng)

土壤濕度檢測(cè)子系統(tǒng)通過YL-69土壤濕度傳感器來檢測(cè)土壤濕度，通過程序?qū)?shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺(tái)，并判斷土壤濕度是否在植物生長最佳的范圍內(nèi)，如果采集的數(shù)據(jù)不在設(shè)定的安全值范圍內(nèi)則使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，提醒用戶此時(shí)的生長環(huán)境并不是花卉生長的最佳環(huán)境，可以采取有效的保護(hù)花卉的具體手段，例如手動(dòng)澆水或者采用系統(tǒng)自行澆水，當(dāng)達(dá)到土壤濕度最大設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止灌溉，防止花卉受到傷害。

3.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)子系統(tǒng)

光照強(qiáng)度檢測(cè)子系統(tǒng)通過GY-30光照強(qiáng)度傳感器來檢測(cè)光照強(qiáng)度，通過程序?qū)?shù)據(jù)上傳至機(jī)智云平臺(tái)，并判斷光照強(qiáng)度是否在植物生長最佳的范圍內(nèi)，如果采集的數(shù)據(jù)不在設(shè)定的安全值范圍內(nèi)，則使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警，以提醒用戶，為花卉補(bǔ)光提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.4 水箱水位檢測(cè)子系統(tǒng)

水箱水位檢測(cè)子系統(tǒng)通過自制傳感器來檢測(cè)水位高度，通過程序?qū)?shù)據(jù)上傳給機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，判斷水箱水位是否在合適范圍，是否需要加水。

4 系統(tǒng)實(shí)例分析

4.1 移動(dòng)監(jiān)控界面

本家庭式花房智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)在移動(dòng)終端監(jiān)控花房環(huán)境的功能，可手動(dòng)控制水泵澆水，實(shí)時(shí)查看花房溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、水箱水位等數(shù)據(jù)，并根據(jù)設(shè)置參數(shù)來自動(dòng)澆水，省時(shí)省事省力。手機(jī)監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 手機(jī)監(jiān)控界面

4.2 自動(dòng)澆水測(cè)試

為測(cè)試自動(dòng)澆水功能，可以設(shè)定一個(gè)土壤濕度上限值與下限值。若土壤濕度低于下限值，則自動(dòng)澆水至土壤濕度達(dá)到上限值，以保持花草最佳生長狀態(tài)。依照設(shè)定，當(dāng)土壤濕度低于下限值時(shí)將打開澆灌水泵澆水，硬件RGB燈顯示紅燈。這里將傳感器放在空氣中，則土壤濕度為0，將自動(dòng)澆水，硬件RGB燈顯示紅色，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)澆水測(cè)試

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)為主要平臺(tái)，通過物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的使用，實(shí)現(xiàn)了家庭式花房的智能監(jiān)控。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)運(yùn)用使得花卉能夠得到最佳的生長環(huán)境，而花卉的養(yǎng)護(hù)者也能夠省時(shí)、省力、省心，解決了花卉智能養(yǎng)護(hù)問題，滿足了人們綠色健康的生活理念。