王正陽(yáng) 陳婷 李雪竹

【摘 要】大多植物都必需每天按時(shí)按量給它們澆水，若忘記澆水，它們就可能會(huì)因缺水而枯死。為了滿足需求，采用OBLOQ物聯(lián)網(wǎng)模塊接收數(shù)據(jù)并發(fā)送給microbit芯片，根據(jù)濕度數(shù)據(jù)利用算法控制舵機(jī)澆水可以解決在這方面出現(xiàn)的問(wèn)題。利用濕度采集傳感器對(duì)土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，microbit芯片控制和調(diào)度舵機(jī)設(shè)備，目的是實(shí)現(xiàn)新型家居生活中的自動(dòng)化控制，解決其存在的問(wèn)題。該項(xiàng)目通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，完成了microbit芯片的總控作用和節(jié)點(diǎn)的采集及調(diào)度工作，實(shí)現(xiàn)了從采集到傳輸、處理，再到調(diào)度的自動(dòng)化流程，并在實(shí)驗(yàn)中得到了性能的改進(jìn)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);傳感器;microbit

現(xiàn)在正處于高速發(fā)展的新時(shí)代，據(jù)調(diào)查，93%的居民都會(huì)選擇在家中養(yǎng)盆栽，在快節(jié)奏的生活中，經(jīng)常出現(xiàn)忘記澆水的情況，同時(shí)手動(dòng)澆水沒(méi)有定量，過(guò)量同樣有礙于生長(zhǎng)。大部分植物都需要每天按時(shí)給它們澆水，如果巧遇較長(zhǎng)時(shí)間忘記滋潤(rùn)植物，那植物或許就因缺水而枯萎。本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器是通過(guò)濕度傳感器對(duì)土壤環(huán)境中所含水分狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 及時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化供給。

1.系統(tǒng)的架構(gòu)與功能

1.1基本核心體系架構(gòu)

感官層：收集土壤濕度并將數(shù)據(jù)給分析層。

數(shù)據(jù)分析層：對(duì)感官層的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并做出處理。

應(yīng)用實(shí)現(xiàn)層：接收到數(shù)據(jù)分析層的命令并做出相應(yīng)的動(dòng)作。

終端層：通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)接入，進(jìn)行遠(yuǎn)程查看等操作。

基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器體系結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2主要實(shí)現(xiàn)的功能

整體結(jié)構(gòu)功能分為三塊：

（1）測(cè)濕結(jié)構(gòu)：實(shí)現(xiàn)測(cè)出土壤濕度并上傳數(shù)據(jù)給主控板。

（2）灌溉結(jié)構(gòu)：由濕度數(shù)據(jù)通過(guò)microbit內(nèi)部代碼控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，從而使軟管轉(zhuǎn)過(guò)指定角度對(duì)向植物，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。

（3）物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)：由microbit芯片的OBLOQ模塊連接WIFI后上傳濕度數(shù)據(jù)到Mqtt Buddy APP，由手機(jī)實(shí)時(shí)隨地查看數(shù)據(jù)。

2.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器是以物聯(lián)網(wǎng)DFRobot為基礎(chǔ)平臺(tái)， 由智能主板（microbit芯片）、濕度傳感器、OBLOQ模塊、Mqtt Buddy APP和舵機(jī)組成的控制系統(tǒng)。設(shè)備采用電容式濕度傳感器，電容式濕度傳感器是用大分子聚合物材質(zhì)的濕敏器件作為敏感電子元件。接通電源模塊后，濕度傳感器對(duì)土壤中的水分含量進(jìn)行分析，上傳土壤濕度數(shù)據(jù)給microbit芯片，之后由microbit芯片運(yùn)行MakeCode軟件中已編好的代碼控制舵機(jī)的定向轉(zhuǎn)動(dòng)，使軟管對(duì)向盆栽，蓄水池內(nèi)部水流出，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水，microbit芯片通過(guò)基于ESP8266設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)OBLOQ模塊在連入WIFI的環(huán)境下上傳數(shù)據(jù)到終端，隨時(shí)查看數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2。

3.硬件設(shè)計(jì)

3.1主控板microbit芯片

microbit芯片不僅是整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的中心，也是軟件和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的中心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收、分析、發(fā)送與處理的功能，上聯(lián)網(wǎng)關(guān)和終端， 下與各節(jié)點(diǎn)連接。主控板接收濕度傳感器發(fā)來(lái)的濕度數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)根據(jù)算法分析數(shù)據(jù)從而調(diào)度控制舵機(jī);并且接收濕度數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到OBLOQ模塊（物聯(lián)網(wǎng)模塊），通過(guò)該模塊打包數(shù)據(jù)發(fā)送給終端。microbit芯片的數(shù)據(jù)傳送主要分為兩種情況：一是數(shù)據(jù)傳送到主控板;二是數(shù)據(jù)從主控板發(fā)出。

3.2其他硬件

其他硬件包括MicroMate、濕度傳感器和舵機(jī)。MicroMate是一款為microbit芯片所設(shè)計(jì)的微型多功能I/O傳感器拓展板，拓展板配置了3V-5V的電壓轉(zhuǎn)換功能，能驅(qū)動(dòng)小于5V 2A的元件;濕度傳感器的表面是高分子濕敏元件薄膜，用于采集土壤濕度數(shù)據(jù);舵機(jī)采用SG90微型舵機(jī)，接收到轉(zhuǎn)向指令后根據(jù)指令定向轉(zhuǎn)動(dòng)。并且各節(jié)點(diǎn)電路具有統(tǒng)一性，濕度傳感器支持3.3-5.5V寬電壓工作環(huán)境;舵機(jī)的工作電壓為4.8V;而microbit芯片支持3-5V電壓。

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1程序

需要用到MakeCode軟件，而microbit芯片全然支持MakeCode軟件。程序代碼采用簡(jiǎn)單、易學(xué)的Python語(yǔ)言進(jìn)行編寫，使得程序可讀性極高、擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行效率提升，提高了系統(tǒng)的相應(yīng)效率，縮短時(shí)間。

編程步驟分為：

（1）數(shù)學(xué)建模。根據(jù)植物的需水量和濕度閾值來(lái)設(shè)定每次澆水的標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）確定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法。分為三個(gè)類：接收傳感器數(shù)據(jù)、根據(jù)傳來(lái)的數(shù)據(jù)與設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值比較后在低于閾值時(shí)調(diào)用舵機(jī)完成澆水、初始化物聯(lián)網(wǎng)模塊并打包濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給終端設(shè)備。

（3）編寫代碼解決問(wèn)題。將代碼燒入microbit芯片。

4.2物聯(lián)網(wǎng)模塊

OBLOQ是一款基于ESP8266設(shè)計(jì)的串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)模塊，用以接調(diào)控已有的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，適用于3V～5V的Microbit芯片。Microbit芯片讀取濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)交給物聯(lián)網(wǎng)模塊，OBLOQ模塊利用OBLOQ串口轉(zhuǎn)WIFI物聯(lián)網(wǎng)模塊搭配DFRobot的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送濕度數(shù)據(jù)到終端設(shè)備。

4.3 Mqtt Buddy APP

這款軟件基于消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議即MQTT，允許用戶控制IOT設(shè)備、管理傳感器。使用DFRobot的公共物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)置里NAME：ADDRESS填寫iot.dfrobot.com.cn：1883，之后添加濕度傳感器按鈕即可。

5.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)植物澆水存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)問(wèn)題存在根源提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器的設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)初衷是為解決澆水用量規(guī)格化和不能按時(shí)澆水的情況，此次舍此綜合考慮了生活的現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)器材的限制，融合了萬(wàn)物互聯(lián)的思想，將智能化帶入生活的細(xì)節(jié)。

作者簡(jiǎn)介：王正陽(yáng)（1999-），男，安徽人，本科在校生。

基金項(xiàng)目：2018年安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目：基于物聯(lián)網(wǎng)的家用智能盆栽澆灌器（編號(hào)201810379108）。