天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 張 迪 劉新月 王 鵬 馬文凱 李秉恒 王亞杰 蘇 鵬

本文提出了一種智慧種植云管家。該項目利用物聯(lián)網(wǎng)的最先進技術(shù)來實現(xiàn)智能種植系統(tǒng)。以Arduino Nano為主要技術(shù)支持，主要用于土壤的綜合管理，如溫度、光照、濕度等環(huán)境參數(shù)的自動檢測，并確定何時灌溉、通風(fēng)。如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)超過了閾值，智慧云管家則可以報警并自動采取對策進行處理。同時云管家可以隨時隨地識別植物生長狀況。

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們將在陽臺和后院種植植物，使生活更加豐富多彩。植物的生長離不開水的支持，但是，當(dāng)人們在出差或旅游中時，植物生長所需的水和陽光無法得到保證，從而構(gòu)成干旱或死亡威脅。大多數(shù)傳統(tǒng)灌溉方法都使用人工灌溉，即通過主觀的人類意識來判斷植物是否需要澆水，但是不同的植物有不同的需水量，特別是一些稀有植物，其需水量要求更高。如果遇到長時間的降雨或連續(xù)幾天的日照，當(dāng)水分過多時會導(dǎo)致根莖腐蝕，或者植物因缺乏水分而枯萎而死亡。因此，迫切需要一種可以測量土壤溫度，濕度和外部陽光的方法，以便為植物的健康生長提供充足的灌溉和光照。本文主要使用Arduion單片機作為控制核心，通過各種傳感器從植物周圍的環(huán)境中收集信息，將其提交到云服務(wù)平臺，用戶可以通過操縱手機客戶端應(yīng)用程序來維護和監(jiān)視遠(yuǎn)程設(shè)施。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計的智慧種植云管家主要實現(xiàn)對家中植物進行實時監(jiān)控及護理功能，大大提高了植物的生存能力。通過WIFI模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及指令執(zhí)行，通過實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，減少像人工這樣的工作環(huán)節(jié)，提升工作效率。其整體系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 智慧種植云管家系統(tǒng)圖

根據(jù)實際應(yīng)用功能設(shè)計需求，智慧種植云管家通過溫濕、光敏傳感器等感應(yīng)植物泥土的溫濕度及周圍環(huán)境情況并通過WIFI模塊傳遞給云平臺，使用手機端實時監(jiān)控植物生長情況，用戶可通過上傳的數(shù)據(jù)自行判斷或通過微處理器自動判斷植物是否缺少水分、光照等。若要增添水分光照等，即可通過云平臺將指令發(fā)送給微處理器并控制繼電器進行灌溉以及補光，也可由微處理器自行判斷進行灌溉及補光，從而實現(xiàn)為植物遠(yuǎn)程的護理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的智慧種植云管家硬件系統(tǒng)主要包含電源電路、控制電路、外圍電路（顯示電路、檢測電路、驅(qū)動電路、補光電路、通信電路）組成，其系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

通過系統(tǒng)的框圖可看出，硬件系統(tǒng)以ARM處理器Arduino Nano為核心，外圍配置顯示電路、LED信號燈、溫濕度傳感器、補水補光電路以及通訊模塊等，從而環(huán)境數(shù)據(jù)檢測、灌溉補光、物聯(lián)通訊等功能。

2.1 電源電路

電源電路負(fù)責(zé)整個裝置的的用電需求，該設(shè)備使用直流穩(wěn)定電源來提供穩(wěn)定的直流電壓。直流穩(wěn)壓電源是一種將220伏頻率的交流電流轉(zhuǎn)換成恒定直流電的裝置。它分為四個階段：電壓轉(zhuǎn)換、整流、穩(wěn)壓和濾波。它通常由一個電源變壓器、一個反流過濾電路和一個穩(wěn)定電路組成。

2.2 控制電路

該控制電路的微處理器使用Arduino Nano型開發(fā)板。Arduino單片機具有很高的處理運算能力，使用C語言編程環(huán)境，控制方便，功耗低，體積小，具有廣泛的I/O端口資源，并且是集成的。使用+5V直流電源，具有多功能性和低成本的優(yōu)點。

Arduino Uno開發(fā)板通過輸入輸出收集溫度、水分和環(huán)境因素感應(yīng)器發(fā)出的信號?？赏ㄟ^終端在機智云中啟動照明、灌溉、窗戶等，并改善生態(tài)環(huán)境。通過WIFI模塊將傳感器加載的參數(shù)發(fā)送到機智云服務(wù)器，以允許通過移動設(shè)備進行移動訪問。微處理器作為整個裝置的核心，主要作用為收發(fā)控制指令、數(shù)據(jù)分析以及監(jiān)控控制，從而控制各個模塊正常工作，其實物圖如圖3所示。

圖3 智能種植云管家原理圖

2.3 外圍電路

外圍電路包含顯示電路、檢測電路、繼電器驅(qū)動電路、補光電路、通訊模塊等組成。

2.3.1 顯示電路

它使用LCD1602液晶顯示器，其主控芯片為HD44780，主要優(yōu)點是LCD1602重量輕，功耗低，具有強大的防干擾能力和高屏幕分辨率，一次可顯示32個字符。主要對檢測參數(shù)時間進行讀取顯示，更方便用戶的觀察。

2.3.2 檢測電路

本裝置采用型號為SLHT5-1的溫濕度傳感器，連接主控單片機，信號采集和處理后，溫度和濕度通過濾波電路、V/I轉(zhuǎn)換、運算放大、恒電流和反向過壓的防護，轉(zhuǎn)換為電流信號或信號的電壓與溫度和濕度的線性關(guān)系，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸出，其濕度范圍為0-100%RH，溫度測量范圍為-40到+123.8℃，濕度測量精度為±3%，溫度測量精度為±0.4℃。通過溫濕度傳感器即可測量植物土壤溫濕度等數(shù)據(jù)，具有較高的靈敏度。

2.3.3 驅(qū)動電路

在整個控制電路中，驅(qū)動電路由繼電器實現(xiàn)，使用三級管來控制繼電器的運作。當(dāng)三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，從而啟動自動灌溉裝置，實現(xiàn)對植物的自動灌溉。

2.3.4 補光電路

高亮度的白色LED燈用作附加的照明電路。高亮度LED是一種新型的LED，其亮度是傳統(tǒng)LED發(fā)光二極管的約100倍。高亮度LED燈具有可靠實用，壽命長，光照強等優(yōu)勢。在這種結(jié)構(gòu)中，三極管控制高亮度LED燈的開和關(guān)，并且限流電阻器用于保護三極管。當(dāng)三極管由正電壓接通時，從而啟動補光裝置，實現(xiàn)對環(huán)境的補光，提供足夠的光照。

2.3.5 通訊模塊

采用型號為ESP8266 WIFI模塊實現(xiàn)通信，上位機是由云平臺開發(fā)和設(shè)計的。由云官方提供的GAgent固件燒錄到ESP8266 WiFi模塊中，然后移植串行接口協(xié)議。初始化ESP8266-WiFi模塊后，將初始化數(shù)據(jù)，并可以通過上位機和微控制器進行數(shù)據(jù)處理。交換通信內(nèi)容并將其保存在云開發(fā)者中心，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)視和維護。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智慧種植云管家軟件的設(shè)計基于硬件系統(tǒng)，通過設(shè)計軟件程序來執(zhí)行智慧種植云管家植物的數(shù)據(jù)檢測，數(shù)據(jù)傳輸和灌溉。系統(tǒng)軟件的設(shè)計包括智能種植云控制系統(tǒng)的程序設(shè)計（圖4）以及PC端上位機軟件設(shè)計的兩個部分（圖5）實現(xiàn)了智能云管理控制和人機界面。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計圖

圖5 上位機軟件界面圖

該系統(tǒng)支持C語言結(jié)合匯編語言的混合編寫，較低的驅(qū)動程序與主語言的編寫相關(guān)聯(lián)，外部使用C語言接口。在Arduino IDE5.0上安裝開發(fā)環(huán)境，從智能云中導(dǎo)入開發(fā)材料文件，為不同的功能開發(fā)存儲模塊，編譯程序并下載到開發(fā)版本進行調(diào)試。系統(tǒng)方案主要啟動主程序與子程序，APP遠(yuǎn)程控制模塊，用于讀取環(huán)境光、土壤水分、空氣溫度的子程序的子程序。

PC端的主機軟件設(shè)計用于人機交互，并在計算環(huán)境中實現(xiàn)對云管家的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本設(shè)計采用機智云作為第三方應(yīng)用平臺，并使用ESP8266射頻模塊與機智云平臺連接，實現(xiàn)APP遠(yuǎn)程控制，互聯(lián)網(wǎng)或LAN通信。機智云服務(wù)平臺接收系統(tǒng)傳感器加載的遠(yuǎn)程客戶端可訪問和觀看的參數(shù)，接收遠(yuǎn)程客戶端訂單，控制參數(shù)通過運行模塊通過無線電模塊和環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)傳輸?shù)紸rduino控制器。該平臺為用戶提供API接口、數(shù)據(jù)存儲和處理服務(wù)功能，以及智能硬件開發(fā)框架和云服務(wù)功能。平臺上可以立即確定產(chǎn)品進行開發(fā)和調(diào)試設(shè)備的一側(cè)，并提供應(yīng)用開發(fā)、測試、產(chǎn)品發(fā)展云計算和數(shù)據(jù)服務(wù)，涵蓋所有智能設(shè)備的生命周期。PC上計算機接口如圖5所示。

結(jié)束語：本文提出一種智慧種植云管家，綜合運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實時動態(tài)信息收集系統(tǒng)，對植物進行了快速，多維，多尺度的實時監(jiān)控，并進行了綜合管理。該系統(tǒng)可以自動檢測光線，通風(fēng)，溫度，濕度等，促進植物健康發(fā)展，是農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有機結(jié)合，是科技化農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)將提高植物的容錯種植率，提高植物的可種植性。