王堯 何鵬 李帥祺 胡純純 丁嘉

【摘 要】文章根據(jù)家庭園藝環(huán)境需求，借助單片機技術、傳感器技術和自動控制技術，設計并實現(xiàn)了智能家庭園藝控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度的測量，并在測量基礎上借助模糊控制理論啟動執(zhí)行器對部分參數(shù)進行調整，通過實驗證明，該系統(tǒng)可以達到預期要求。

【關鍵詞】智能家庭園藝;模塊化設計;模糊控制;傳感器

中圖分類號： S688 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.012

1 背景

隨著社會經濟發(fā)展和人民群眾生活水平的提高，越來越多的人開始關注家庭園藝，期望通過這種方式營造更加宜人的生活環(huán)境，舒緩壓力，增加家庭中的自然氣息和生活情趣。所謂家庭園藝是指在居室內、陽臺、屋頂、露臺或庭院等空間范圍內從事園藝植物栽培和裝飾的活動。傳統(tǒng)的家庭園藝需要投入大量的額外時間和精力，但大部分家庭園藝愛好者對植物基本養(yǎng)護知識知之甚少，對植物生長習性和環(huán)境因子估計不足，尤其是面對多種不同來源的植物時，養(yǎng)護隨意性很強，再加上工作繁忙，造成很多植物的生長達不到預期狀態(tài)，甚至造成不必要的損失，浪費了很多時間、精力和金錢。從農業(yè)角度看來，家庭園藝屬于微農業(yè)范疇，近年來在國內外受到很大關注，部分國家和企業(yè)也推出了一些產品，但這些智能化產品大多面向規(guī)模化的智能種植，設備成本較高，并不適合家庭環(huán)境，因此開發(fā)一種較為經濟的家庭園藝智能控制器很有必要。

2 系統(tǒng)功能規(guī)劃與硬件設計

2.1 系統(tǒng)工作原理

該智能控制器系統(tǒng)主要功能是采集環(huán)境因子信息、對采集信息進行分析顯示、根據(jù)預設模式控制外部設備進行環(huán)境干預等。因此該系統(tǒng)主要包括環(huán)境因子采集器、智能控制器和執(zhí)行器三部分。其中環(huán)境因子采集器主要負責采集光照、空氣溫濕度、土壤濕度等信息;控制器主要負責對采集信息的信息搜集與分析并做出決策，并指導執(zhí)行器進行環(huán)境干預;執(zhí)行器包括開關、控制閥、繼電器等，用于在控制器指揮下通過閥門和開關，進行滴灌、噴霧、補光等作業(yè)。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)硬件組成

2.2.1 STM32芯片

本系統(tǒng)采用STM32為核心，該單片機為STC公司成熟產品之一，可用于收集傳感器提供的環(huán)境信息并進行深入分析，也可以連接各種外設將信息及時表達出來。

2.2.2 光敏傳感器與補光燈

光照信息采集電路采用GL5528光敏電阻為傳感器，可對光譜峰值為540nm的光線進行測量，10Lux下亮電阻為10-20KΩ，暗電阻約為1MΩ，可在環(huán)境溫度為-30～70℃環(huán)境下工作。將光敏電阻與一固定阻值電阻串聯(lián)，將節(jié)點電壓分壓轉換后送單片機ADC口即可根據(jù)檢測到的模擬電壓對當前光照情況進行分析判斷。當光照強度過弱時，打開補光燈實施補光。也可以根據(jù)植物生長需要，實施連續(xù)強制補光。補光燈所采用的顏色以滿足植物生長需要，波長為640～660nm的紅光和波長為430～450nm的藍紫光為主。

2.2.3 空氣溫濕度傳感器

溫濕度信息來自于AM2301型空氣溫濕度傳感器，該傳感器采用單總線傳送方式，供電電壓為5V，可以2s/次的刷新率對-40-80℃范圍內的溫度信息和RH 10-90%的濕度信息進行可靠檢測。當空氣濕度過低時，噴霧提示燈將閃爍，提示用戶及時噴霧補水。

2.2.4 二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳信息來自于MG811二氧化碳傳感器，該傳感器采用固態(tài)電解質電池原理測量二氧化碳，受空氣溫濕度的影響較小，年漂移量預期只有20PPM，長期穩(wěn)定性好，對二氧化碳有著良好的靈敏性，無需校準，性價比高，適合對價格要求嚴格的應用場合。

2.2.5 土壤濕度傳感器

土壤濕度信息使用四線制土壤濕度傳感器感應獲得，其接口電路如圖2所示。其中RP即為土壤濕度傳感器，該傳感器與固定電阻R2串聯(lián)，分壓結果通過比較起比較后上拉輸出。RP1可以調節(jié)系統(tǒng)閾值。同時分壓結果也可以直接進ADC以便獲得更精確的土壤濕度信息。如土壤濕度過低，系統(tǒng)將啟動滴灌控制閥，通過滴灌方式向土壤實施補水操作。

3 軟件設計

3.1 軟件設計思路

當上電后，系統(tǒng)工作流程首先完成各模塊及芯片的初始化，接著依次進行各環(huán)境數(shù)據(jù)采集，通過比對設置參數(shù)判斷是否執(zhí)行控制模塊動作對環(huán)境參數(shù)進行調控，最后OLED實時顯示出來，最后圖3為系統(tǒng)主函數(shù)流程。

3.2 控制相關算法

由于環(huán)境控制測量因素較多，且部分因素存在較明顯的非線性，系統(tǒng)的控制精度要求并不嚴格，因此考慮使用簡單的模糊控制算法。

模糊控制算法就是以模糊數(shù)學理論為基礎發(fā)展而來的一種非線性控制算法，這種算法的優(yōu)點是不需要為控制對象建立起精確的數(shù)學模型而是利用項目工作人員的長期經驗和大量數(shù)據(jù)匯總而成的語言控制規(guī)則，并將其轉化為可編輯的多變量模糊控制器。

4 測試情況

表1為測量數(shù)據(jù)，并于測量儀測得數(shù)據(jù)比較，分析可知系統(tǒng)測得的各項數(shù)據(jù)濃度誤差都在±5%RH以內，溫度誤差最大在±1℃左右。均符合設計指標。

5 總結

文章設計了基于STM32的智能家庭園藝控制系統(tǒng)，通過OLED實時測量顯示出空氣溫濕度、土壤濕度和CO2濃度四項參數(shù)，可向家庭園藝愛好者提供直觀數(shù)據(jù)，以便其對植物生長環(huán)境進行干預，同時也具備一定的智能功能，可在用戶外出等情況下對家庭園藝（花圃）實施自動管理，節(jié)約人力，有利于提高家庭園藝種植的成功率。

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