付于 林智慧

摘要：設(shè)計以STM32單片機作為核心控制器，外圍結(jié)合了溫濕度傳感模塊、光照傳感模塊、報警模塊、電源模塊、執(zhí)行模塊、顯示模塊等。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，溫濕度傳感器和光照強度傳感器會持續(xù)檢測蔬菜種植柜中的環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測值不滿足預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會對當(dāng)前的溫濕度和光照強度進行補償，一旦檢測數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會停止補償，繼續(xù)檢測。經(jīng)測試，該家用智能蔬菜種植系統(tǒng)運行穩(wěn)定，性能良好，具有操作方便、成本低、占地小等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：蔬菜種植系統(tǒng);STM32;傳感器

中圖分類號：TP3 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0111-02

隨著人們生活水平的提高，人們對于食品安全和休閑娛樂的需求越加明顯，特別是一些城市居民，在使用智能蔬菜種植系統(tǒng)時，不僅能夠收獲新鮮的蔬菜，還可以豐富自己的日常生活。市面上所售的蔬菜種植架結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，對種植環(huán)境和使用人員具有較高要求，很大程度上限制了室內(nèi)蔬菜種植的發(fā)展。本文所研究的家用智能蔬菜種植系統(tǒng)將降低城市用戶對于蔬菜種植的技術(shù)及環(huán)境條件，通過采集的數(shù)據(jù)對蔬菜生長進行自動控制，全程無須干預(yù)，方便種植。該系統(tǒng)對用戶基本無種植經(jīng)驗要求，其種植簡單，具有觀賞性、娛樂性、重視用戶體驗，是解決城市居民對生態(tài)蔬菜需求的一種新途徑。

眾所周知，當(dāng)蔬菜所處的環(huán)境溫度、濕度和光照強度過高或者過低時，都會影響蔬菜的生長和發(fā)育，由于環(huán)境不適宜而引起蔬菜發(fā)黃、干枯、壞根是室內(nèi)種植蔬菜最容易出現(xiàn)的問題，進而影響到蔬菜的外觀，使種植者對于室內(nèi)種植蔬菜喪失興趣。由于城市居民大多數(shù)是沒有蔬菜種植經(jīng)驗的，在室內(nèi)環(huán)境中種植土壤較淺，水分較容易流失，且在室內(nèi)光照、通風(fēng)和溫濕度都不太適宜蔬菜生長。所以，一種智能蔬菜種植系統(tǒng)的研究和設(shè)計可以降低城市居民在室內(nèi)種植蔬菜的難度，以此滿足人們在室內(nèi)種植蔬菜的美好愿望。

1 總體方案設(shè)計

將種植架置于室內(nèi)合適的地方，播種蔬菜種子或者幼苗，同時啟動智能種植系統(tǒng)開始工作。種植系統(tǒng)上的光照傳感器實時采集光照數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)會根據(jù)事先輸入的該品種蔬菜適宜生長的光照參數(shù)來檢測當(dāng)前光照強度是否合適，一旦強度低于預(yù)設(shè)值，就啟動光照強度補償功能，將光照強度調(diào)整到適宜生長的強度范圍。同理，系統(tǒng)上的溫濕度傳感器實時檢測環(huán)境的溫度及濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。當(dāng)溫度偏低時，控制系統(tǒng)會根據(jù)事先輸入其中的該類蔬菜生長數(shù)據(jù)來控制增溫裝置進行增溫，使溫度達到最適宜溫度;當(dāng)溫度偏高時，控制系統(tǒng)會控制降溫裝置進行降溫。濕度不達標時，系統(tǒng)就會啟動霧化系統(tǒng)，將土壤濕度補充到最適宜生長的濕度。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中執(zhí)行模塊包括降溫、加濕等裝置。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1控制模塊

本設(shè)計采用的核心控制器是STM32F103C8T6單片機，該單片機基于超低功耗的ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，整體增強了技術(shù)性和功能性，它是一款工作性能比較好、使用成本比較低、功耗比較小的一種嵌入式應(yīng)用芯片。其內(nèi)部主要包含了片上集成64KB的Flash存儲器和20KB的SRAM存儲器，同時還具有非常豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗、定時/計數(shù)器、I/O口、DMA控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口等?？刂颇K原理圖如圖2所示。

2.2溫濕度檢測模塊

本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器是DHT11數(shù)字溫度傳感器，它不僅可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號交由單片機控制器進行分析和處理，而且采用的是單線接口。其中最突出的特點是：可以直接將溫濕度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行傳輸。該傳感器在測量的準確度、轉(zhuǎn)換時間、傳輸速度中都比傳統(tǒng)的溫濕度傳感器有明顯優(yōu)勢。同時，該傳感器可以更準確地解決各種情況下出現(xiàn)的誤差，使溫濕度傳感器在可靠性和安全性方面表現(xiàn)優(yōu)良。DHT11傳感器的特點是可以采用一根單線進行信號傳輸，無須外圍元件;可以實現(xiàn)多個測溫點;測溫范圍為0-225攝氏度;測量的數(shù)據(jù)值可以再次進行編程。當(dāng)溫濕度達到預(yù)設(shè)值的時候，就會進行報警處理。其電路圖如圖3所示。

2.3光照強度檢測模塊

光照傳感器主要應(yīng)用于檢測光照強度是否滿足蔬菜的生長要求，以保證蔬菜能夠在合適的光照下生長。系統(tǒng)采用的光照強度檢測模塊是GY302。該模塊是一款基于IIC通信的16bit的數(shù)字型傳感器。模塊主要是以BH1750數(shù)字型光強感應(yīng)芯片為核心及一些外圍驅(qū)動電路構(gòu)成，可以測量的光照度范圍為0～65535勒克斯，最小誤差波動為±20%，分辨度為1勒克斯。此模塊是一個五針腳模塊，包含VCC、GND、SCL、SDA、ADDR五個引腳。其中VCC接電源正極，其電壓范圍在3～5V之間;GND接地;SCL為時鐘線;SDA為數(shù)據(jù)線;SCL和SDA與單片機相連時接上一個5k阻值的上拉電阻;ADDR為寄存器的地址引腳，其接地時器件地址為0100011，接電源正極時器件地址為1011100。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

蔬菜種植系統(tǒng)上電啟動后，通過溫濕度傳感器DHT11和光照強度傳感器GY302實時檢測溫濕度和光照參數(shù)，并將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂葡到y(tǒng)，主控制系統(tǒng)對傳輸過來的數(shù)據(jù)進行分析和處理，最終判斷出種植柜里的溫度、濕度和光照強度是否復(fù)合設(shè)定范圍。若滿足，則繼續(xù)監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù);若不滿足，聲光報警器報警，執(zhí)行模塊工作，進行相應(yīng)參數(shù)的補償，直到滿足設(shè)定值范圍，關(guān)閉補償，繼續(xù)監(jiān)測，如此往復(fù)。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

軟硬件設(shè)計調(diào)試后，進入到系統(tǒng)測試階段。當(dāng)實物上電啟動后，手動模擬環(huán)境參數(shù)變化，溫濕度傳感器和光照強度傳感器會持續(xù)檢測蔬菜種植系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測值不滿足預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會對當(dāng)前的溫濕度和光照強度進行補償;當(dāng)傳感器檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)值時，系統(tǒng)會停止對當(dāng)前溫濕度和光照強度進行補償，繼續(xù)進行參數(shù)檢測。系統(tǒng)實物如圖5所示。

具體模擬測試過程為：用手將光照強度傳感器遮住，模擬?室內(nèi)的光照條件，補光系統(tǒng)開始工作;系統(tǒng)穩(wěn)定后將手拿開，模擬室內(nèi)光照強度增加，種植系統(tǒng)停止補光;用手接觸溫度傳感器模擬室內(nèi)環(huán)境溫度升高，種植柜提示燈亮起，風(fēng)扇開始工作;待系統(tǒng)穩(wěn)定后將手拿開，模擬室內(nèi)溫度降低，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動;把濕度閾值設(shè)置為高于當(dāng)前濕度值，將濕度傳感器置于濕抹布之上，從而模擬濕潤土壤，待數(shù)值穩(wěn)定后，拿開濕抹布模擬土壤濕度降低，種植系統(tǒng)的水泵開始工作。待系統(tǒng)穩(wěn)定后再將濕抹布置于濕度傳感器上，模擬土壤濕度增加，水泵停止工作。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行正常，測量數(shù)據(jù)準確，誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，智能化的蔬菜種相較傳統(tǒng)意義上的種植更加人性化和科技化。在城市居住環(huán)境中，利用陽臺等空間，種植蔬菜，不僅能夠美化環(huán)境，消遣閑暇時光、改善室內(nèi)環(huán)境，又能食用到新鮮營養(yǎng)的綠色食品，一舉多得。市面上所具有的蔬菜種植架結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，對種植環(huán)境和使用人員具有較高要求，所以限制了都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本文所研究設(shè)計的智能蔬菜種植系統(tǒng)具有成本低、使用簡單、穩(wěn)定易用等特點，彌補了傳統(tǒng)種植的不足，將成為今后室內(nèi)種植的一種新模式，擁有廣闊的市場應(yīng)用前景。

參考文獻

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2021-05-25

基金項目：西安思源學(xué)院2020年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（S202013121004S）

作者簡介：付于，本科在讀;林智慧，女，副教授，主要研究方向為電子通信技術(shù)等。