劉英男 王鑫 閆宇

摘要：本文研發(fā)的智能陽(yáng)臺(tái)養(yǎng)花系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103ZET6為核心，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)花卉所處環(huán)境光照強(qiáng)度值，土壤濕度值，風(fēng)力值。通過(guò)與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定極限值對(duì)比，并對(duì)此采取相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)措施，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。由PWM調(diào)制紅藍(lán)光的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)按比例補(bǔ)光;土壤濕度傳感器獲取的實(shí)時(shí)濕度值與比較器進(jìn)行比較，通過(guò)繼電器，觸發(fā)水泵，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水。聯(lián)軸器，步進(jìn)電機(jī)，升降臺(tái)的螺旋桿三者相連，共同構(gòu)成升降模塊，小型直流有刷電機(jī)與三杯式旋轉(zhuǎn)風(fēng)杯組裝而成的風(fēng)速傳感器相當(dāng)于開關(guān)，自動(dòng)控制升降臺(tái)的高度。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單便捷，可實(shí)現(xiàn)花卉養(yǎng)護(hù)自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：智能養(yǎng)花;STM單片機(jī);PWM調(diào)制;比較器

盆栽養(yǎng)花是人們生活中一種休閑娛樂(lè)方式，目前社會(huì)中養(yǎng)花人群驟升，但卻無(wú)暇照顧導(dǎo)致花卉枯萎。光照、水分和外力等均會(huì)影響花卉的生長(zhǎng)。光照是影響花卉進(jìn)行光合作用的重要因素，LED光源具有節(jié)能環(huán)保，光色純正，防潮，壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，可用于花卉栽培。研究表明，對(duì)植物光合作用有重大影響的主要是400-500nm 的藍(lán)光和600-700nm 的紅光。[1]因此本系統(tǒng)中采用LED紅藍(lán)光，用戶可以根據(jù)需求通過(guò)按鍵來(lái)選擇。且水分是花卉生長(zhǎng)的必要條件，是花卉的生命活動(dòng)不可缺少的重要環(huán)境因子之一。怎樣適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充紅藍(lán)光，澆水并使花卉免于外力的傷害一直深深困擾著這些養(yǎng)花之人。若能實(shí)現(xiàn)花卉補(bǔ)光，澆水，避風(fēng)的一體化養(yǎng)護(hù)，將極大提高花卉的生存率，豐富人們的文化生活。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能陽(yáng)臺(tái)養(yǎng)花系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成，分別是自動(dòng)補(bǔ)光模塊、自動(dòng)升降模塊、自動(dòng)澆水模塊。自動(dòng)補(bǔ)光模塊通過(guò)光敏傳感器完成對(duì)光照強(qiáng)度的監(jiān)測(cè)，當(dāng)外界光照強(qiáng)度低于系統(tǒng)設(shè)定極限值時(shí)，由PWM調(diào)制，使用者只需通過(guò)按鍵選擇花卉即可;自動(dòng)升降平臺(tái)適用于臺(tái)風(fēng)時(shí)刻，當(dāng)臺(tái)風(fēng)來(lái)臨時(shí)，風(fēng)力傳感器檢測(cè)到風(fēng)力值，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，超過(guò)設(shè)定的極限值時(shí)，單片機(jī)將會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，通過(guò)聯(lián)軸器將電機(jī)與升降臺(tái)進(jìn)行連接，電機(jī)帶動(dòng)升降臺(tái)進(jìn)行高度調(diào)整。升降臺(tái)將花卉降低到安全高度時(shí)將會(huì)停止。自動(dòng)澆水模塊中，由濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤濕度的檢測(cè)，通過(guò)比較器進(jìn)行土壤濕度對(duì)比，倘若土壤濕度低于比較器的設(shè)定值時(shí)，水泵對(duì)水分不足的花卉補(bǔ)充適應(yīng)的水分。

該系統(tǒng)的控制模塊中采用STM32F103ZET6作為核心處理器，具有512K片內(nèi)FLASH，64K片內(nèi)RAM，片內(nèi)FLASH?2個(gè)基本定時(shí)器，3路SPI接口，2路I?S接口，2路I?C接口。3路共16通道的12位AD輸入，2路共2通道的12位DA輸出，支持片外獨(dú)立電壓基準(zhǔn)。信息采集與處理、預(yù)設(shè)值調(diào)整、系統(tǒng)智能控制等工 作都是在核心處理器的基礎(chǔ)上完成[2]，核心處理器引腳說(shuō)明如表1所示。該系列單片機(jī)與傳統(tǒng)51單片機(jī)兼容，內(nèi)部RAM高達(dá)1280 B，運(yùn)行速度提高了8倍～12倍，具有高速、低功耗、抗干擾等特點(diǎn)，十分適用于本項(xiàng)目。

2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)補(bǔ)光模塊

該模塊由ISL29010光敏傳感器，波長(zhǎng)為620nm-630nm的紅色LED燈，波長(zhǎng)為450nm-455nm的藍(lán)色LED燈，220V轉(zhuǎn)12V穩(wěn)壓電源電路，指示燈組成。根據(jù)光敏傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)定的極限值，由按鍵選擇不同的花卉，得到不同占空比的PWM信號(hào)。通過(guò)工作電壓為3V的LED紅燈和LED藍(lán)燈作為補(bǔ)光燈組，由PWM信號(hào)控制補(bǔ)光燈組的輸出光照強(qiáng)度，從而對(duì)不同花卉進(jìn)行精確補(bǔ)光。

系統(tǒng)初始化后，若花卉所處環(huán)境光照值高于預(yù)先設(shè)定的極限值，證明花卉所處環(huán)境光照充足，根據(jù)該模塊實(shí)時(shí)采集光照值與極限值的比較，補(bǔ)光燈組將滅燈;反之，由LCD顯示界面上的按鍵S0選擇特定花卉，選定完成后，按下S1，屏幕顯示設(shè)置成功，即可輸出特定紅藍(lán)光比重的光照。

圖 3所示為補(bǔ)光模塊電路圖，STM32左側(cè)為光敏傳感器電路，當(dāng)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度不大于設(shè)定的極限值時(shí)，即電壓比較器“+”端輸入電壓小于“-”端輸入電壓時(shí)，DO端輸出低電平;當(dāng)環(huán)境的光照強(qiáng)度值大于設(shè)定的極限值時(shí)，即電壓比較器“+”端輸入電壓大于“-”端輸入電壓時(shí)，DO端輸出高電平;在STM32右側(cè)為L(zhǎng)ED電路，主要由NPN型三極管和發(fā)光二極管構(gòu)成，光敏傳感器引腳DO與STM32單片機(jī)PA1引腳相連，光敏傳感器引腳1懸空。

2.2 ?自動(dòng)升降模塊

此模塊由步進(jìn)電機(jī)（型號(hào)為57CM23，轉(zhuǎn)軸軸徑為8mm）、升降臺(tái)、聯(lián)軸器（型號(hào)為8mm，7.8mm）構(gòu)成，由聯(lián)軸器把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸與升降臺(tái)的螺旋桿連接并固定。如圖3所示，步進(jìn)電機(jī)與聯(lián)軸器在A點(diǎn)相連，聯(lián)軸器與升降臺(tái)螺旋桿在B點(diǎn)相連，也可通過(guò)螺旋桿右端的手動(dòng)旋鈕調(diào)整花盆高度，共同構(gòu)成自動(dòng)升降系統(tǒng)，風(fēng)力傳感器的接線與單片機(jī)引腳PA2相連。步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)作用下可實(shí)現(xiàn)開關(guān)， 步進(jìn)電機(jī)在輸入脈沖信號(hào)作用下可實(shí)現(xiàn)開關(guān)，由于速度和輸入的脈沖頻率成正比，可通過(guò)控制脈沖頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。[3]

在這一模塊中，風(fēng)力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)力值，當(dāng)達(dá)到臺(tái)風(fēng)閾值時(shí)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將風(fēng)力值傳入STM32單片機(jī)，與系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先設(shè)定極限值比較，當(dāng)監(jiān)測(cè)值大于預(yù)先設(shè)定極限值時(shí)，單片機(jī)將會(huì)控制模塊中的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，由聯(lián)軸器的作用帶動(dòng)螺旋桿旋轉(zhuǎn)，從而使得升降臺(tái)下降，當(dāng)下降到固定高度時(shí)，將斷開電路，升降臺(tái)則停止下降。當(dāng)監(jiān)測(cè)值小于預(yù)先設(shè)定極限值時(shí)，說(shuō)明外界風(fēng)力狀況良好，單片機(jī)不發(fā)出控制命令，整個(gè)模塊將保持狀態(tài)不變，繼續(xù)監(jiān)測(cè)風(fēng)力值，并在顯示屏LCD上顯示數(shù)值大小。

2.3 自動(dòng)澆水模塊

自動(dòng)澆水模塊分為土壤濕度監(jiān)測(cè)、數(shù)值比較、水泵澆水3個(gè)部分。

通過(guò)將XM-M214土壤濕度傳感器垂直插入土壤，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度值;通過(guò)AD轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)量，和比較器進(jìn)行比較（比較器可以自定義比較的值），當(dāng)土壤濕度小于預(yù)先設(shè)定的極限值時(shí)，說(shuō)明花卉此時(shí)處于缺水狀態(tài)，通過(guò)保護(hù)電路的繼電器吸合，電路導(dǎo)通，水泵出水實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水的目的，當(dāng)濕度傳感器監(jiān)測(cè)的值大于比較器的設(shè)定值時(shí)，通過(guò)繼電器將電路中斷，水泵停止出水。

該模塊中的比較器采用3.3V供電，共有6個(gè)引腳，其中引腳1接電源;引腳2為DO TTL數(shù)字信號(hào)輸出，懸空;引腳3為模擬信號(hào)輸出，接單片機(jī)的引腳PA0;引腳4接地;引腳5，引腳6接土壤濕度傳感器。

3 結(jié)論

針對(duì)目前花卉的養(yǎng)護(hù)效率低，依賴人工性強(qiáng)，費(fèi)用高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STM32F103ZET6的智能陽(yáng)臺(tái)養(yǎng)花系統(tǒng)。通過(guò)分析影響花卉生長(zhǎng)的環(huán)境因子，以及不同花卉在光合作用中所需紅藍(lán)光的不同比例，可對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采集數(shù)據(jù);利用LED光源，紅色藍(lán)色LED燈由按鍵采用PWM控制，最大化節(jié)約光能源;以電子類的自動(dòng)澆花器的工作原理為參考，自動(dòng)化程度高，運(yùn)行速度快且精準(zhǔn)，從而解決人們生活中花卉忘記澆水的這一問(wèn)題[4]。與現(xiàn)代技術(shù)接軌，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光，澆水，避風(fēng)。

該系統(tǒng)目前還沒(méi)有與之匹配的手機(jī)App，不方便人們遠(yuǎn)程使用調(diào)控，后續(xù)可使用物聯(lián)網(wǎng)連接。升降系統(tǒng)中步進(jìn)電機(jī)在穩(wěn)定性上有待改進(jìn)，在具體轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置上需要更多的測(cè)試數(shù)據(jù)作為支撐，便于根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1]高鴻磊，諸定昌.植物生長(zhǎng)與光照的關(guān)系[J].燈與照明，2005（04）：1-4.

[2]趙杰榮，李永濤，李悠然，等.基于單片機(jī)的LED植物補(bǔ)光系統(tǒng)[J].大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（05）：373-377.

[3]李曉貞，智能化單?？壗z機(jī)的設(shè)計(jì)[D]，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[4]劉紅權(quán)，潘虹，劉浩，等.基于單片機(jī)的智能花卉澆水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技與信息，2019（01）：146.