梁健權(quán)，于鳳梅，馮粵松

（1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院，廣州 510225；2.廣東廣信通信服務(wù)有限公司，廣州 510005）

0 引言

隨著科技的日益發(fā)展，人們的衣食住行愈加的智能化，智能家居這一概念意在提高人們的生活水平，自出現(xiàn)以來就廣受市場青睞，必定是未來人們居住環(huán)境的發(fā)展趨勢[1-3]?，F(xiàn)代人喜愛在家或者辦公室放置一些盆栽，以達(dá)到凈化空氣、美化環(huán)境的作用。但是隨著生活節(jié)奏的加快，人們無法有效地照料家里的盆栽。為解決這類問題，可以使用智能澆花系統(tǒng)，傳統(tǒng)的基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)大多采用蜂鳴器報(bào)警，LCD顯示溫濕度等［4-6］?？紤]用戶使用的靈活性和移動(dòng)性，本文用應(yīng)用較為廣泛Android 移動(dòng)終端代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PC 終端，實(shí)現(xiàn)用戶使用Android移動(dòng)終端對家居的盆栽實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測和澆花水泵控制。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶使用Android智能手機(jī)對盆栽實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和完成自動(dòng)澆水。由于不同的植物適合生長的溫濕度環(huán)境不一樣，用戶可以通過移動(dòng)電話APP 設(shè)定盆栽的植物名稱和適合對應(yīng)植物生長的溫度和濕度上下限值。當(dāng)盆栽的土壤濕度低于它適合的濕度值時(shí)，可以選擇自動(dòng)或手動(dòng)模式使水泵工作，增加土壤濕度；當(dāng)濕度達(dá)到該植物的濕度上限值時(shí)，Android移動(dòng)終端會(huì)收到預(yù)警提示，并控制水泵停止工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由澆花系統(tǒng)硬件設(shè)備端和移動(dòng)控制端組成。系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。澆花系統(tǒng)硬件設(shè)備端主要由電源電路、復(fù)位電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、土壤濕度電路、空氣溫濕度電路、WiFi 通信電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路組成。移動(dòng)控制端軟件為采用MVC 模式設(shè)計(jì)的Android移動(dòng)APP。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

2 硬件電路及程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的STC89C52RC 單片機(jī)具有40 個(gè)引腳，采用DIP40封裝。整個(gè)系統(tǒng)包括電源電路、復(fù)位電路組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)，然后進(jìn)行外圍電路的開發(fā)。土壤的濕度檢測利用YL69模塊得到濕度的模擬量，通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將獲取的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量傳入單片機(jī)，構(gòu)成了一個(gè)土壤濕度電路；除了土壤的濕度監(jiān)測，本系統(tǒng)還增加了空氣的溫濕度檢測功能，采用DH-11 模塊；繼電器電路只要將對應(yīng)的正負(fù)極導(dǎo)通，控制線連接單片機(jī)的1 個(gè)I/O 口即可；1 個(gè)聯(lián)網(wǎng)的模塊，即WiFi模塊電路，只需要將對應(yīng)的正負(fù)極線和數(shù)據(jù)發(fā)送/接收線相接。圖2 所示為澆花系統(tǒng)的整體架構(gòu)示意圖，程序設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 澆花系統(tǒng)整體架構(gòu)硬件設(shè)計(jì)示意圖

圖3 澆花系統(tǒng)整體架構(gòu)硬件程序設(shè)計(jì)圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)作為一個(gè)電子器件系統(tǒng)，這里采用USB 接口提供5 V 的電源，只需將電路圖中的VCC 接到正極，GND 接到負(fù)極即可。

如圖4 所示，導(dǎo)線連接在XTAL1、XTAL2 和GND 間所組成的電路為時(shí)鐘電路，XTAL就是外接晶振，時(shí)鐘電路由1個(gè)晶振和2 個(gè)30 pF 的電容器組成，晶振頻率采用最常見的11.059 2 MHz，以方便設(shè)置波特率。時(shí)鐘電路在單片機(jī)執(zhí)行指令時(shí)是至關(guān)重要的，它為單片機(jī)的各部分電路的正常工作提供驅(qū)動(dòng)力。

圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

與單片機(jī)RST 引腳連接的那部分電路就為復(fù)位電路，由于給單片機(jī)RST 引腳高電平持續(xù)2 μs 就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。分析復(fù)位電路，單片機(jī)剛上電時(shí)，電容充電，RST 處于高電平時(shí)間大于2 μs，單片機(jī)開始執(zhí)行程序，電容充電完畢，RST 引腳呈現(xiàn)低電平；當(dāng)按鍵彈起狀態(tài)時(shí)，由于電容有隔直流作用，電路相當(dāng)于開路，RST 獲得低電平。按下按鍵，電路導(dǎo)通，RST變成高電平，單片機(jī)復(fù)位。

2.2 土壤濕度模塊電路

本設(shè)計(jì)使用YL-69 土壤濕度傳感器，該傳感器由敏感元器件與轉(zhuǎn)化電路構(gòu)成，當(dāng)外界的濕度出現(xiàn)變化時(shí)，會(huì)改變傳感器內(nèi)部元器件的電阻值，電阻值的范圍一般為0～10 kΩ。當(dāng)電阻值變化，輸出電路的電壓也會(huì)跟隨變化。傳感器輸出端就是它的A0 管腳，但是輸出的是模擬量，單片機(jī)無法讀取，需要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)化模塊得到數(shù)字量供單片機(jī)讀取，圖5所示為該部分電路的接線。

圖5 土壤濕度模塊接線圖

2.3 空氣溫濕度模塊

空氣溫濕度電路使用DHT-11 溫濕度傳感器，DHT11 溫濕度傳感器與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸使用單總線協(xié)議，只需將2Pin 口與單片機(jī)的P3.7 口相接，并且通常需要外接一個(gè)上拉電阻。該模塊的使用電壓范圍在3.3～5 V 之間，電壓過高會(huì)導(dǎo)致傳感器燒壞，電壓過低導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸丟失。該電路與單片機(jī)的接線方式如圖6所示。

圖6 空氣溫濕度模塊接線圖

圖7 WiFi模塊接線圖

2.4 WiFi模塊

考慮到本設(shè)計(jì)的可擴(kuò)展性，選擇采用WiFi模塊方便將系統(tǒng)升級為具有數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在本設(shè)計(jì)中利用ESP8266 WiFi 模塊構(gòu)建無線AP 和Andriod 移動(dòng)電話進(jìn)行雙向無線通信。如圖7 所示，把ESP8266 模塊的VCC、GND、CH_PD、TX、RX 分別接單片機(jī)的 VCC、GND、3.3 V 高電平、RXD、TXD 即可，通過單片機(jī)向ESP8266 發(fā)送一系列AT指令將ESP8266配置成AP模式，即以本模塊為熱點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)移動(dòng)電話連接后進(jìn)行局域網(wǎng)的無線控制。

3 Android程序設(shè)計(jì)

3.1 APP植物數(shù)據(jù)界面

智能澆花系統(tǒng)基于Android 系統(tǒng)開發(fā)建立智能澆花APP。作為設(shè)置植物數(shù)據(jù)界面程序的開發(fā)，根據(jù)面向?qū)ο蟮木幊趟枷耄?］，首先需要先自定義一個(gè)植物的類，通過實(shí)例劃分該類組織數(shù)據(jù)。界面空間方面，最外圍的布局采用LinearLayout 線性布局［8］，在里面放置RecyclerView 控件和一個(gè)用于增加RecyclerView 中的Item 的按鈕控件，將Item 的數(shù)據(jù)正確地適配到RecyclerView 中，需要正確編寫對應(yīng)的適配器完成。數(shù)據(jù)界面如圖8所示。

3.2 硬件設(shè)備監(jiān)控界面

硬件設(shè)備監(jiān)控界面涉及到展示的UI控件設(shè)計(jì)和基于TCP/IP的Socket通信，在Android程序設(shè)計(jì)中關(guān)于界面的UI更新需要在主線程中完成，網(wǎng)絡(luò)連接等耗時(shí)的操作不允許在主線程中執(zhí)行。因此，需要新建線程接收下位機(jī)傳輸來的空氣溫濕度和土壤濕度的數(shù)據(jù)，然后使用Handle 機(jī)制在線程之間傳輸數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳到主線程，最后實(shí)現(xiàn)UI 的更新。界面如圖9所示。

圖8 APP植物數(shù)據(jù)界面圖

圖9 APP植物監(jiān)控界面圖

3.3 數(shù)據(jù)增刪對話框

在 澆花APP 中加入植物數(shù)據(jù)增刪功能，可以對不同的植物設(shè)置不同的溫濕度上、下限值。設(shè)計(jì)自定義對話框，以相對布局作為最外層，里面添加對應(yīng)數(shù)值的存放編輯框，在最下方添加“取消”和“確定”的按鈕。自定義對話框如圖10所示。

3.4 Socket通信實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)在Android客戶端中使用Socket套接字基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行開發(fā)，即通信采用TCP方式，需要用到Streamsocket這個(gè)對象。客戶端代碼中首先給定IP 地址和端口2 個(gè)參數(shù)，初始化1 個(gè)Socket 對象。獲取到Socket 對象實(shí)例后通過isConnected()方法查看是否成功連接到服務(wù)器。建立通信前需要先獲取Socket實(shí)例的流對象，然后通過I/O流操作把輸入流的數(shù)據(jù)讀取出來進(jìn)行相應(yīng)的處理，里面的數(shù)據(jù)就是服務(wù)器端傳過來的數(shù)據(jù)。如果是發(fā)數(shù)據(jù)給服務(wù)器則需創(chuàng)建輸出流對象，通過輸出流的write()方法發(fā)送數(shù)據(jù)，之后記得使用flash()方法刷新數(shù)據(jù)。通信結(jié)束還需要關(guān)閉Socket實(shí)例和流對象。

由于Android系統(tǒng)中不允許將網(wǎng)絡(luò)請求等耗時(shí)的操作在主線程中執(zhí)行，當(dāng)想要連接服務(wù)器的時(shí)候就需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的線程，在里面執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)請求，然后通過線程間的通信將得到的數(shù)據(jù)返回到主線程。

圖10 APP數(shù)據(jù)增刪對話框圖

4 結(jié)束語

本智能澆花系統(tǒng)可以對盆栽植物的土壤的濕度及空氣溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，用戶通過Android移動(dòng)電話APP可以選擇自動(dòng)或手動(dòng)工作模式，控制水泵工作，按時(shí)按需完成澆水工作。在澆花APP 中用戶可以添加、刪除盆栽植物名稱，通過APP設(shè)定各個(gè)盆栽植物的溫濕度閾值。

本系統(tǒng)以單片機(jī)為下位機(jī)對硬件模塊進(jìn)行控制，以Android 智能手機(jī)作為上位機(jī)易于使用且方便。本設(shè)計(jì)成本低、實(shí)用性強(qiáng)、可拓展性高，本文的設(shè)計(jì)思想可應(yīng)用在水果等其他作物灌溉的自動(dòng)化處理。