李 娟 李海川 鄭澤豐

（廣東好太太科技集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 緒論

當(dāng)代人們的居住環(huán)境與辦公環(huán)境大都種植了綠植，用來凈化空氣、吸收二氧化碳以及防輻射等。且在人們忙碌的工作過程中，看到一抹綠色心情也更加愉悅，可緩解日常煩躁、焦慮或不安等負面情緒。

越來越多的人想在自家陽臺或者辦公桌上種上一些綠植，但苦于沒有足夠時間和精力，所以放棄種植綠植，也可能因為自己沒有經(jīng)驗去養(yǎng)護這些富有活力的綠植，最后種植綠植這件事就以失敗告終。

智能綠植陽臺系統(tǒng)就可以解決該問題，使人們不用花費過多的時間與精力去養(yǎng)護這些綠植，也不需要去學(xué)習(xí)綠植養(yǎng)護的知識，不需要去請教別人經(jīng)驗，直接使用智能綠植養(yǎng)護陽臺系統(tǒng)就可以實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計分析

該設(shè)計的綠植陽臺智能系統(tǒng)構(gòu)成涉及綠植陽臺控制系統(tǒng)、阿里IoT云平臺、好太太智聯(lián)App。技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 綠植陽臺智能系統(tǒng)

圖2 智能綠植陽臺控制系統(tǒng)設(shè)備框圖

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

綠植陽臺控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、智能數(shù)據(jù)分析模塊、智能控制模塊以及無線通信模塊組成（如圖2所示）。數(shù)據(jù)采集模塊通過氮磷鉀傳感器、pH傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、水位傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)并將檢測的數(shù)據(jù)通過RS485總線傳送到智能數(shù)據(jù)分析模塊。智能數(shù)據(jù)分析模塊將接收到的傳感器數(shù)據(jù)進行加權(quán)平滑處理，計算分析當(dāng)前綠植生存環(huán)境數(shù)據(jù)與當(dāng)前培育綠植所需的生存環(huán)境差異，并向智能控制模塊下發(fā)相應(yīng)指令。智能控制模塊通過RS 485總線接收智能數(shù)據(jù)分析模塊下發(fā)的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相應(yīng)操作（打開/關(guān)閉燈光，打開/關(guān)閉水泵，打開/關(guān)閉溫控器、按比例調(diào)配營養(yǎng)液、輸送營養(yǎng)液）。

綠植陽臺控制系統(tǒng)的智能數(shù)據(jù)分析模塊同步通過Wi-Fi和Internet通信技術(shù)連接阿里IoT云平臺，并將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的實時環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備故障信息推送到阿里IoT云平臺。由阿里IoT平臺將數(shù)據(jù)推送到用戶的好太太智能App上。

好太太智能App集成專家模塊，向用戶推薦符合相應(yīng)綠植各生長周期所需的各項生存環(huán)境參數(shù)，根據(jù)用戶所選擇培育的綠植類型，將對應(yīng)的專家參數(shù)推送到阿里IoT云平臺，由阿里IoT云平臺向綠植陽臺控制系統(tǒng)推送對應(yīng)數(shù)據(jù)。綠植陽臺控制系統(tǒng)根據(jù)接收到的專家參數(shù)對系統(tǒng)各項指標進行實時自動調(diào)節(jié)，以滿足當(dāng)前培育綠植的各項生存環(huán)境參數(shù)。

2 系統(tǒng)電控設(shè)計分析

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

2.1.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

該系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，由能數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測模塊、水泵模塊、加熱模塊、補充模塊、Wi-Fi模塊、顯示模塊及電源模塊組成。電源模塊給智能數(shù)據(jù)分析模塊、監(jiān)測模塊、水泵模塊、加熱模塊、補充模塊、Wi-Fi模塊以及顯示模塊供電，其中智能數(shù)據(jù)分析模塊為主要控制核心，監(jiān)測模塊用于監(jiān)測水位、氮磷鉀、溫度、光照及pH值，水泵模塊用來進行補水，加熱模塊用來控制溫度，補充模塊用來補充氮磷鉀，Wi-Fi模塊用來傳輸數(shù)據(jù)給App，并接受APP發(fā)送的指令使設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動作，顯示模塊用于在設(shè)備上顯示當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，并可在顯示屏上進行設(shè)置。

2.1.2 光照監(jiān)測模塊

該模塊使用HA2003光照傳感器，高精度的光照強度測量體積小巧，IP65防護等級設(shè)計傳感器結(jié)實、耐腐蝕響應(yīng)速度快，小于1 s可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸?shù)臅r候沒有信號衰減，采用先進光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強度值轉(zhuǎn)化為電壓值，再經(jīng)調(diào)理電路將此電壓值轉(zhuǎn)換為0 V～2 V或4 mA～20 mA[1]。

2.1.3 pH值監(jiān)測模塊

該模塊使用pH傳感器PH-BTA來監(jiān)測當(dāng)前pH值。pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的可用輸出信號給傳感器，通常由化學(xué)部分和信號傳輸部分構(gòu)成，pH傳感器常用來進行溶液、水等物質(zhì)的工業(yè)測量，傳感器內(nèi)部的pH放大器是一個能通過數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測的有標準pH電極的電路。傳感器連接線的末端是一個BTA插頭或一個5-Pin DIN插頭來與數(shù)據(jù)采集器連接[2]。

2.1.4 氮磷鉀監(jiān)測模塊

該氮磷鉀監(jiān)測模塊采用RS485型氮磷鉀變送器，該傳感器完全密封，耐腐蝕性強，可直接埋入土中或投入水中進行長期的監(jiān)測，性能穩(wěn)定、靈敏度高。該傳感器由電源模塊、信號放大模塊、溫度補償模塊及數(shù)據(jù)處理模塊組成，其將土壤含水率、電導(dǎo)率、溫度和氮磷鉀6個參數(shù)合一。通過該傳感器對當(dāng)前氮磷鉀濃度進行監(jiān)測，將當(dāng)前值與預(yù)設(shè)值進行比較，當(dāng)大于預(yù)設(shè)值時，進行稀釋，小于預(yù)設(shè)值時，進行補充。

Wi-Fi控制模塊

3 好太太智聯(lián)App

3.1 App功能概述

智能種植機接入好太太智聯(lián)App，除了內(nèi)置用戶賬戶注冊登錄功能，需要具備設(shè)備管理、傳感器參數(shù)顯示、設(shè)備狀態(tài)顯示、種植菜品選擇和功能控制。智能種植機App功能如圖4所示，其中，設(shè)備管理需要具備設(shè)備配網(wǎng)綁定（Ap熱點配網(wǎng)和搶占式綁定），設(shè)備解綁，在App首頁顯示設(shè)備列表等功能。在設(shè)備詳情頁中，還需要支持傳感器參數(shù)顯示（包括光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、高低水位傳感器）以及傳感器手動檢測功能。設(shè)備狀態(tài)顯示顯示設(shè)備的工作狀態(tài)，例如完成自動調(diào)整/正在調(diào)整，同時還會顯示調(diào)整的狀態(tài)，（“補水中”“補酸中”（pH）“補氮中”“補磷中”“補鉀中”“水循環(huán)中”“照明開啟中”）。在種植機中，還提供20種常見種植綠植的參數(shù)組和1組用戶自定義參數(shù)，用戶可以選擇種植的類型或手動輸入?yún)?shù)來確定參數(shù)自動調(diào)整的目標值。在App中，還提供手動照明開關(guān)，在綠植需要補光的情況下，可以手動開啟照明開關(guān)。

3.2 App數(shù)據(jù)拓撲圖

智能種植機通過Wi-Fi模組借助路由器使用MQTT協(xié)議連接到好太太IoT云平臺，手機App使用Https及MQTT協(xié)議連接到好太太IoT云平臺，如圖5所示。

3.3 App主要功能

3.3.1 用戶賬戶注冊及登錄

用戶注冊及登錄界面如圖6所示，用戶賬戶注冊與登錄是好太太智聯(lián)IoT平臺內(nèi)建的賬戶體系，通過App可以完成用戶賬戶的注冊、登錄、找回密碼、退出登錄以及修改用戶頭像、昵稱等功能。用戶賬戶通過與IoT平臺的認證服務(wù)進行創(chuàng)建。

3.3.2 設(shè)備配網(wǎng)

需求描述：通過好太太智聯(lián)App將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)并綁定用戶賬戶。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶注冊并登錄App。

后置條件：完成設(shè)備配網(wǎng)及綁定，設(shè)備在首頁顯示。

其他說明：設(shè)備支持AP配網(wǎng)，為搶占式綁定（新綁定關(guān)系可以將舊綁定關(guān)系解除）。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）設(shè)備綁定后，當(dāng)有多臺相同設(shè)備時，在設(shè)備名稱后面追加數(shù)字序號。2）設(shè)備綁定后進入設(shè)備列表顯示頁面。

3.3.3 設(shè)備解綁

需求描述：用戶解綁設(shè)備。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶為設(shè)備管理員并且已登陸App。

后置條件：用戶和設(shè)備解除綁定。

業(yè)務(wù)規(guī)則有5條。1）只有管理員可以解綁設(shè)備。2）用戶設(shè)備解綁，彈窗進行二次確認。3）設(shè)備成功解綁后Toast提示用戶解綁成功，然后返回首頁。4）設(shè)備刪除失敗時，彈窗提醒用戶，并建議用戶重試。5）設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置時，清除綁定關(guān)系。

圖4 功能概述圖

圖5 App數(shù)據(jù)拓撲圖

3.3.4 設(shè)備列表顯示

需求描述：設(shè)備在好太太智聯(lián)App首頁中進行顯示

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯(lián)App中可以看到綁定的設(shè)備。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）用戶進入首頁時，刷新設(shè)備在線狀態(tài)。2）設(shè)備離線時，依然可以進入設(shè)備詳情頁面，但進入后彈窗提醒用戶設(shè)備的狀態(tài)，引導(dǎo)用戶檢查網(wǎng)絡(luò)或重置配網(wǎng)，并可返回首頁，也可進入設(shè)備設(shè)置頁面進行設(shè)備解綁。

3.3.5 傳感器參數(shù)顯示

需求描述：用戶可以在設(shè)備詳情頁查看設(shè)備上報的參數(shù)。

行為者：App注冊用戶

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

其他說明：傳感器參數(shù)主要有：光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、水位。

業(yè)務(wù)規(guī)則有3條。1）設(shè)備上報參數(shù)為1次/min，App收到云端推送后同步更新。2）每次進入設(shè)備詳情頁時，請求硬件更新參數(shù)。無參數(shù)時顯示“——”，更新時顯示上次更新的數(shù)據(jù)，標題顯示更新圖標。獲取到新數(shù)據(jù)時，直接更新界面，不要出現(xiàn)黑色全屏加載遮罩。3）水位顯示為“低水位”“高水位”“正常水位”，光照時間上報為MIN，需顯示為小時+分鐘格式。

圖6 用戶注冊及登錄界面

3.3.6 設(shè)備狀態(tài)顯示

需求描述：用戶可以在設(shè)備詳情頁查看設(shè)備工作的狀態(tài)。

行為者：App注冊用戶

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）設(shè)備正在調(diào)整參數(shù)，上報狀態(tài)為：“調(diào)整完成”，“正在調(diào)整”。2）當(dāng)設(shè)備狀態(tài)調(diào)整時，同步顯示正在調(diào)整的參數(shù)，例如“補水中”，“補酸中”（pH），“補氮中”，“補磷中”，“補鉀中”，“水循環(huán)中”，“照明開啟中”。

3.2.7 燈光開關(guān)

需求描述：用戶可以在App中打開或關(guān)閉燈光。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員或是設(shè)備被分享者。

業(yè)務(wù)規(guī)則有2條。1）進入App界面時，更新狀態(tài)。2）用戶可以打開或關(guān)閉開關(guān)，優(yōu)先響應(yīng)用戶操作（不顯示加載框），當(dāng)打開失敗時，彈窗顯示（智能種植機打開燈光失敗，請檢查網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)）。

3.3.8 更多設(shè)置

需求描述：用戶點擊更多設(shè)置，可以查看設(shè)備名稱、型號以及設(shè)備DN碼，并可以在此頁面解綁設(shè)備。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經(jīng)是設(shè)備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯(lián)App中可以看到綁定的設(shè)備。

業(yè)務(wù)規(guī)則：設(shè)備名稱可進行修改。

4 結(jié)語

該設(shè)計的綠植陽臺智能系統(tǒng)通過綠植陽臺控制系統(tǒng)、阿里IoT云平臺以及好太太智聯(lián)App實現(xiàn)對綠植的智能養(yǎng)護，解決了人們沒有時間、精力及經(jīng)驗去養(yǎng)護綠植的問題。通過不同的傳感器實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)，并自動進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)智能綠植養(yǎng)護。并將實時環(huán)境狀態(tài)上報App，人們可以隨時看到綠植養(yǎng)護情況，可遠程進行看護，便利了人們的生活。