孫秋鳳，李 霞

（南京師范大學(xué)泰州學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

隨著人們生活水平和生活品質(zhì)的逐漸提高，養(yǎng)殖花卉是大多數(shù)人陶冶情操、裝點(diǎn)生活的不二選擇。但大部分人會因?yàn)槊β档墓ぷ?、不間斷的出差，忘記給養(yǎng)殖的花卉澆水，致使花卉枯死等。面對令人困擾的花草澆水問題，市場上出現(xiàn)了一些自動澆花系統(tǒng)，根據(jù)原理可分三類：自動滲水裝置，內(nèi)部預(yù)存水，利用水壓自動澆水，缺點(diǎn)是無法判斷土壤濕度；定量澆水，缺點(diǎn)是價格較貴，并且也不能根據(jù)土壤濕度調(diào)節(jié)水量；使用單片機(jī)控制的澆花系統(tǒng)比前兩者價格更高。因此，本文設(shè)計(jì)了一種更智能、低成本、操作方便的澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)土壤和空氣溫濕度自動灌溉，還可以通過手機(jī)端APP修改澆花條件，調(diào)節(jié)出水量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本智能澆花系統(tǒng)主要由Arduino Leonardo控制芯片、電源電路、DHT溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、BLELINK藍(lán)牙通信模塊、水泵自動控制電路和蜂鳴器報(bào)警模塊等組成，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架

Leonardo芯片控制模塊、水泵自動控制模塊、DHT溫濕度及土壤濕度檢測模塊和藍(lán)牙通信模塊是核心模塊。系統(tǒng)分為自動和手動模式。自動模式：DHT溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)會被控制芯片檢測并判斷是否需要開啟水泵自動澆水。手動模式：用戶根據(jù)手機(jī)APP端顯示的空氣溫濕度和土壤濕度信息判斷是否需要修改水泵啟動條件，并通過藍(lán)牙模塊將指令傳輸給控制芯片，從而更改澆水條件。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)方案

2.1 Arduino Leonardo控制芯片

Leonardo是基于Atmega32u4控制器的單片機(jī)，工作電壓為5 V，采用USB供電或外接6～23 V直流供電，兼容Arduino R3引腳映射，提供14個數(shù)字I/O和8通道10位模擬I/O，2個2 A大電流的H橋馬達(dá)驅(qū)動器，內(nèi)建Xbee插板，集成APC220 RF模塊和藍(lán)牙模塊插板。圖2為Leonardo控制芯片引腳。

圖2 Leonardo控制芯片引腳

2.2 DHT溫濕度傳感器

DHT溫濕度傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，與高性能8位單片機(jī)相連。測溫范圍為0～50 ℃，誤差為±2 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，誤差為±5%RH，響應(yīng)時間為6～30 s，測量分辨率為8位（溫度、濕度），采樣周期間隔不低于1 s。傳感器在濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，通信過程如圖3所示。

圖3 通信過程

2.3 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器探頭表面采用鍍鎳處理，加寬了感應(yīng)面積，提高了其導(dǎo)電性能，有效解決了接觸土壤后探頭容易生銹的問題，延長了其使用壽命。探頭可直接埋入土壤中，適合在花卉、苗圃等需要檢測土壤濕度的環(huán)境中使用。

土壤中的水分含量能改變土壤的電阻率，通常情況下，土壤中的含水量越高，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。土壤濕度傳感器的金屬片在插入土壤中時，能充分接觸到土壤，檢測到電阻率的改變，并轉(zhuǎn)化成電信號。圖4所示為土壤濕度參考數(shù)值。

圖4 土壤濕度傳感器參考值

2.4 BLE-LINK藍(lán)牙通信模塊

BLE-LINK是基于TI CC2540藍(lán)牙芯片的通信模塊，工作頻率為2.4 GHz，靈敏度為-93 dBm，最遠(yuǎn)傳輸距離約30 m，兼容Xbee擴(kuò)展。通信協(xié)議為低功耗V4.0，可實(shí)現(xiàn)2個藍(lán)牙模塊間實(shí)物點(diǎn)對點(diǎn)無線透明傳輸。該模塊為主從機(jī)設(shè)置，無線燒錄程序，與PC建立HID連接。

2.5 水泵自動控制模塊

水泵自動控制模塊中使用繼電器控制水泵開關(guān)。繼電器的作用類似開關(guān)，當(dāng)繼電器通電后，線圈流過電流，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵受到的電磁力大于彈簧的拉力，導(dǎo)致銜鐵的動、靜觸點(diǎn)吸合，即開關(guān)閉合。當(dāng)線圈斷電后，失去電磁力，銜鐵受彈簧的反作用力回到初始位置，動觸點(diǎn)與初始靜觸點(diǎn)吸合，即開關(guān)斷開。繼電器模塊接線端NC代表常閉，NO代表常開，N/A代表空腳，COM為公共端。圖5為繼電器與水泵的連接圖。

圖5 繼電器與水泵連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能軟件設(shè)計(jì)包括傳感器檢測采集數(shù)據(jù)（土壤濕度和空氣溫濕度）子程序、自動灌溉子程序、藍(lán)牙通信子程序等。主要程序流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)流程

手機(jī)端通過藍(lán)牙模塊顯示傳感器收集的數(shù)據(jù)，用戶在手機(jī)端也可更改溫濕度的閾值，修改水泵啟動的條件。圖7為系統(tǒng)實(shí)物。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物

4 結(jié) 語

針對目前澆花系統(tǒng)有線控制的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款以Arduino Leonardo芯片為控制器的智能澆花系統(tǒng)，該系統(tǒng)在自動模式下可以實(shí)現(xiàn)對土壤濕度、空氣溫濕度的全天候采集、處理、顯示，在手動模式下可以自定義閾值，通過藍(lán)牙修改澆花條件。經(jīng)測試，該系統(tǒng)反應(yīng)靈敏，自動控制程度較高，制作方便。本文的設(shè)計(jì)還可以為其他自動灌溉系統(tǒng)提供參考。