戴晶華

（內(nèi)蒙古自治區(qū)法治培訓(xùn)中心，內(nèi)蒙古呼和浩特，010070）

0 引言

在學(xué)習(xí)和工作之余，人們通常養(yǎng)花來豐富自己的生活，可以凈化空氣，給人們帶來了舒適的生活環(huán)境。通常的花盆需要人工澆水，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，為了克服傳統(tǒng)養(yǎng)花的一些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種自動澆花系統(tǒng)為養(yǎng)花者提供更為智能便捷的智能澆花設(shè)備。隨著5G和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深入發(fā)展，將會有越來越多的智能設(shè)備進(jìn)入人們的日常生活。

本設(shè)計(jì)是運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對花盆進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測。本設(shè)計(jì)提供了兩種澆水模式，即遠(yuǎn)程手動澆水模式和自動澆水模式。在遠(yuǎn)程手動澆水模式下，可以隨時(shí)隨地進(jìn)行遠(yuǎn)程澆花，避免了由于澆水不及時(shí)導(dǎo)致的植株枯萎；在自動模式下，在儲水裝置水量充足時(shí)，自動澆花系統(tǒng)可通過對花盆土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在花盆的土壤濕度較低時(shí)自動啟動澆水泵進(jìn)行澆水，該模式為可養(yǎng)花者提供便捷的服務(wù)。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由花盆智能控制板、云服務(wù)器消息代理、手機(jī)APP三部分組成?；ㄅ柚悄芸刂瓢逯饕?fù)責(zé)底層硬件的數(shù)據(jù)采集以及澆水泵和照明燈的控制，云服務(wù)器上的消息代理軟件負(fù)責(zé)控制信息和采集數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)硬件數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，手機(jī)APP進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)的數(shù)據(jù)顯示及控制按鈕的實(shí)現(xiàn)，主要顯示的參數(shù)有土壤溫度數(shù)據(jù)的顯示，當(dāng)前土壤濕度是否需要澆花的顯示，主要實(shí)現(xiàn)的控制按鈕有澆水泵控制按鈕和照明燈控制按鈕，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1.1 花盆智能控制板

花盆智能控制板可以連接溫度傳感器和濕度傳感器，實(shí)現(xiàn)土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)采集。土壤溫度傳感器采用DS18B20防水傳感器，通過單總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。濕度傳感器通過連接AD轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)濕度數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，可以寬范圍控制土壤的濕度，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)的閾值，濕度低于設(shè)定值時(shí)，DO端口輸出高電平，高于設(shè)定值時(shí)，DO端口輸出低電平?；ㄅ柚悄芸刂瓢宓腃C3200分別通過端口PIN_08和PIN_01輸出高低電平實(shí)現(xiàn)繼電器的閉合與斷開，從而實(shí)現(xiàn)澆水泵和照明燈的控制，硬件功能框圖如圖2所示。

圖2 硬件功能框圖

通過對CC3200進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行分析和處理，將采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，實(shí)現(xiàn)土壤溫度和當(dāng)前濕度是否需要澆水的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送，CC3200實(shí)時(shí)接收控制信息，實(shí)現(xiàn)澆水泵和照明燈的遠(yuǎn)程控制。CC3200通過WiFi配置入網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)上行環(huán)境數(shù)據(jù)和下行控制信號的傳輸，硬件設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為JSON格式。

1.1.1 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)中土壤溫度數(shù)據(jù)的采集使用DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，首先進(jìn)行溫度傳感器初始化，溫度傳感器反饋初始化是否成功的信息，寫入控制數(shù)據(jù)，并等待溫度傳感器做出應(yīng)答，待溫度傳感器做出應(yīng)答后，開始接收溫度低8位數(shù)據(jù)，緊接著接收溫度高8位數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度數(shù)據(jù)接收完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)據(jù)儲存到temp變量中，此時(shí)溫度數(shù)據(jù)采集完成。

1.1.2 濕度傳感器

本設(shè)計(jì)中所采用的濕度傳感器適用于土壤的濕度檢測，模塊中藍(lán)色的電位器是用于土壤濕度的閾值調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)節(jié)，控制的濕度會越大，逆時(shí)針調(diào)節(jié)，控制的濕度會越小。數(shù)字量輸出引腳DO與CC3200的PIN_06相連，通過CC3200檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度，并確定是否需要澆水。在檢測到的電平中，其中高電平代表需要澆水，低電平表示不需要澆水，編寫程序?qū)C3200的PIN_06引腳配置為讀模式，并讀取電平。

1.1.3 澆水電路設(shè)計(jì)

澆水泵由一個(gè)365直流抽水馬達(dá)（12V微型自吸水水泵）實(shí)現(xiàn)，該水泵有入水口和出水口，用途十分廣泛，在家電，醫(yī)療，模型DIY，水族器材等方面都得以應(yīng)用，主要實(shí)現(xiàn)抽水，冷水循環(huán)等功能。本設(shè)計(jì)主要通過繼電器實(shí)現(xiàn)其控制，首先CC3200將接收到的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，當(dāng)變量watering為1時(shí)，表示開啟澆水泵，此時(shí)將CC3200的PIN_01引腳置為1，輸出高電平，繼電器模塊接收到高電平后，繼電器吸合，澆水泵開始工作。當(dāng)變量watering為0時(shí)，表示關(guān)閉澆水泵，此時(shí)將CC3200的引腳置為0，輸出低電平，繼電器模塊接收到低電平后，繼電器斷開，澆水泵停止工作。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

服務(wù)器上安裝Mosquitto消息代理軟件，MQTT協(xié)議提供了使用發(fā)布/訂閱模型執(zhí)行消息傳遞的輕量級方法。這使得它適用于物聯(lián)網(wǎng)信息傳遞，即低功耗傳感器或移動設(shè)備，如手機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)或微控制器。本設(shè)計(jì)通過MQTT協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳輸。硬件設(shè)備與服務(wù)器之間的通信的數(shù)據(jù)格式為JSON格式，服務(wù)器與硬件設(shè)備通信的端口號設(shè)定為1883，服務(wù)器與手機(jī)APP通信的端口號為9000。

1.3 手機(jī)APP

手機(jī)APP基于React Native進(jìn)行開發(fā)。主要實(shí)現(xiàn)的功能有土壤溫度數(shù)據(jù)和當(dāng)前濕度是否需要澆水的實(shí)時(shí)顯示，澆水泵和照明燈的開關(guān)控制，以及與服務(wù)器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。手機(jī)APP的界面主要有土壤溫度數(shù)據(jù)顯示、土壤濕度是否需要澆水顯示、澆水泵狀態(tài)顯示、照明燈狀態(tài)顯示、澆水泵的開關(guān)按鈕和照明燈的開關(guān)按鈕，手機(jī)APP功能框圖如圖3所示。

圖3 手機(jī)APP功能框圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 CC3200控制程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中所采用的芯片是德州儀器公司的CC3200，該器件集成了ARM Cortex-M4。在本設(shè)計(jì)中，使用了4個(gè)通用輸入輸出(GPIO)引腳，分別是實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集的PIN_03引腳；實(shí)現(xiàn)土壤濕度澆水反饋的PIN_06引腳；實(shí)現(xiàn)澆水泵控制的PIN_08引腳；實(shí)現(xiàn)照明燈控制的PIN_01引腳。

CC3200定義發(fā)布主題，即/SmartPot/send，主題的數(shù)據(jù)格式為JSON格式，主題的內(nèi)容為{"temp":"00.00","moisture":"0","watering":"0","LED":"0"}。當(dāng)溫度傳感器采集到土壤的溫度數(shù)據(jù)信息后，對其中的temp數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；當(dāng)濕度傳感器采集到土壤的濕度數(shù)據(jù)信息后，對其中的moisture數(shù)據(jù)進(jìn)行更新；當(dāng)澆水水泵開啟時(shí)，將其中watering的值更新為1，表示水泵為開啟狀態(tài)，當(dāng)澆水泵關(guān)閉時(shí)，將其中watering的值更新為0，表示水泵為關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)照明燈開啟時(shí)，將其中LED的值更新為1，表示照明燈為開啟狀態(tài)，當(dāng)照明燈關(guān)閉時(shí)，將其中LED的值更新為0，表示照明燈為關(guān)閉狀態(tài)，并每隔0.3秒上傳一次土壤溫濕度數(shù)據(jù)及硬件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，這樣就達(dá)到了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，硬件打包程序框圖如圖4所示。

圖4 硬件打包數(shù)據(jù)上傳程序框圖

2.2 MQTT協(xié)議

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）協(xié)議是一個(gè)基于TCP的發(fā)布訂閱協(xié)議。在云端和傳感器、醫(yī)療設(shè)備、家居及一些小型化設(shè)備通信中已得到了廣泛使用。新版本的MQTT協(xié)議具有更好的錯(cuò)誤報(bào)告、共享訂閱、消息屬性、消息過期、會話到期、主題別名等亮點(diǎn)。本設(shè)計(jì)MQTT協(xié)議通過mosquitto消息代理軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。MQTT協(xié)議用來支持將CC3200上的數(shù)據(jù)用1883端口發(fā)送到服務(wù)器的broker上。同時(shí)MQTT協(xié)議用來支持手機(jī)APP和硬件之間的通信，當(dāng)mosquitto broker收到服務(wù)端消息后，broker繼續(xù)將消息通過MQTT協(xié)議用9000端口發(fā)送給訂閱端。

2.3 軟件APP實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中手機(jī)APP與服務(wù)器使用的通信協(xié)議為基于WebSocket 的MQTT 跨平臺推送服務(wù)方案。MQTT WebSocket JavaScript API 的功能描述如下：Connect 連接、 DisConnect 斷開連接、Subscribe 訂購、UnSubscribe 取消訂購、Publish 發(fā)布。

硬件設(shè)備通過MQTT協(xié)議上傳相關(guān)數(shù)據(jù)到服務(wù)器，手機(jī)APP通過MQTT協(xié)議接收服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，即{"tem p":"00.00","moisture":"0","watering":"0","LED":"0"}，首先進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)顯示、是否需要澆水顯示、澆水泵開關(guān)狀態(tài)顯示、照明燈開關(guān)狀態(tài)顯示，手機(jī)APP的控制按鈕有澆水泵開關(guān)按鈕和照明燈開關(guān)按鈕，APP提供了兩種工作模式，即手動澆水模式和自動澆水模式。

在手動澆水模式下，當(dāng)用戶點(diǎn)擊開啟澆水泵按鈕后，手機(jī)app發(fā)送開啟澆水泵控制指令，即"watering":"1"，硬件設(shè)備收到開啟澆水泵控制指令，啟動澆水泵進(jìn)行澆水，當(dāng)用戶點(diǎn)擊關(guān)閉澆水按鈕后，手機(jī)app發(fā)送關(guān)閉澆水泵控制指令，即"watering":"0"，硬件設(shè)備收到關(guān)閉澆水泵控制指令，關(guān)閉澆水泵停止?jié)菜?；?dāng)用戶點(diǎn)擊開啟照明燈按鈕后，手機(jī)app發(fā)送開啟照明燈控制指令，即"LED":"1"，硬件設(shè)備收到開啟照明燈控制指令，啟動照明燈，當(dāng)用戶點(diǎn)擊關(guān)閉照明燈按鈕后，手機(jī)app發(fā)送關(guān)閉照明燈控制指令，即"LED":"0"，硬件設(shè)備收到關(guān)閉照明燈控制指令，關(guān)閉照明燈。

在自動澆水模式下，當(dāng)watering值為1時(shí)，并且當(dāng)溫度小于25℃時(shí)，APP自動發(fā)送開啟澆水泵控制命令，即"watering":"1"，直到硬件上傳的數(shù)據(jù)中watering值變?yōu)?，APP自動發(fā)送"watering":"0"，關(guān)閉澆水泵。

3 系統(tǒng)的調(diào)試

3.1 硬件設(shè)備與服務(wù)器通信調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)中通過paho軟件進(jìn)行硬件設(shè)備與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)通信調(diào)試，首先硬件設(shè)備上電，硬件指示燈閃爍幾秒后熄滅，表示硬件設(shè)備已經(jīng)成功連接WiFi，按下SW3按鍵開始土壤溫度和濕度是否需要澆水?dāng)?shù)據(jù)上傳，在調(diào)試軟件上輸入服務(wù)器地址和端口號，并訂閱主題，可以看到土壤溫度和濕度是否需要澆水?dāng)?shù)據(jù)成功發(fā)送到了服務(wù)器上，并通過調(diào)試軟件顯示到電腦屏幕上，土壤溫度和濕度是否需要澆水?dāng)?shù)據(jù)為設(shè)定好的JSON格式數(shù)據(jù)。

3.2 手機(jī)APP調(diào)試結(jié)果

手機(jī)APP與服務(wù)器之間的通信采用MQTT協(xié)議，當(dāng)啟動硬件設(shè)備后，可以看到手機(jī)APP成功顯示了土壤的溫度數(shù)據(jù)、目前濕度是否需要澆水、燈光狀態(tài)和水泵狀態(tài)，點(diǎn)擊澆水控制按鈕，可以看到硬件設(shè)備澆水泵開啟，并可以看到手機(jī)APP上反饋到澆水泵為開啟狀態(tài)，點(diǎn)擊關(guān)閉澆水泵按鈕，可以看到澆水泵關(guān)閉；點(diǎn)擊照明燈按鈕，可以看到照明燈開啟，手機(jī)APP中顯示照明燈開啟，點(diǎn)擊關(guān)閉照明燈按鈕，可以看到手機(jī)APP顯示照明燈關(guān)閉。

圖5 手機(jī)APP界面

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)提供的智能控制板與花盆采用分離式設(shè)計(jì)，通過溫度和濕度傳感器檢測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動澆花的功能，也可以通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)澆花的遠(yuǎn)程手動控制的功能，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能家居的典型應(yīng)用，可以推廣到其他領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。