宋冰倩
(陜西師范大學(xué),陜西 西安 710062)
隨著人們生活品質(zhì)的大幅度提升,綠植已經(jīng)成為每個(gè)家庭必備的物品,人們可以用它裝飾房間或者凈化空氣。但對(duì)于經(jīng)常出差的人來說,無法細(xì)心照顧它們、實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的信息、給予植物適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)。因此,智能澆花系統(tǒng)開始引起了許多人的關(guān)注。
事實(shí)上,國內(nèi)外已有許多人研究并發(fā)明了各種各樣的智能澆花系統(tǒng)。例如,英國研究者發(fā)明了會(huì)提醒主人的智能花盆;Reghukumar等人設(shè)計(jì)了通過Adafruit云平臺(tái)分析植物健康狀況并向農(nóng)民或相關(guān)人員發(fā)送電子郵件警報(bào);文獻(xiàn)[3]中發(fā)明了可以動(dòng)的“Plantroid”花盆機(jī)器人;羅維等人利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了可控自動(dòng)澆花裝置;李明等人設(shè)計(jì)了基于Arduino的自動(dòng)澆花機(jī);杜浩博等人和王哲等人利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了自動(dòng)澆花系統(tǒng)。
借鑒前人的研究,本文設(shè)計(jì)一種以掌控板為控制器的物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng),該系統(tǒng)有以下特征:一是使用微信公眾平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)物物相連、遠(yuǎn)程控制;二是以掌控板作為控制器,可以使用少量代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵以及三個(gè)傳感器的控制;三是該系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)兩種澆花模式可供用戶選擇,方便用戶養(yǎng)護(hù)自己的植物。
本系統(tǒng)主要組成部分是:微信小程序、服務(wù)器、控制器(即掌控板)。如圖1所示,通過各部分相互協(xié)作,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交流通信??刂破鞯淖饔檬前褌鞲衅魉占乃袛?shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上,用戶用手機(jī)綁定相應(yīng)服務(wù)號(hào)后,就能實(shí)現(xiàn)信息的查詢;另外,控制器還將利用從手機(jī)端到服務(wù)器再到控制器收到的信號(hào)去控制繼電器,進(jìn)而控制水泵出水。服務(wù)器部分主要負(fù)責(zé)微信與物聯(lián)網(wǎng)之間的消息處理,使用者在公眾號(hào)上對(duì)設(shè)備注冊與綁定后,就可以使用設(shè)備去查詢與控制傳感器和水泵。微信終端則是關(guān)注公眾號(hào),隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息、操作水泵和繼電器工作。
圖1 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
本項(xiàng)目最終將實(shí)現(xiàn)以下功能:通過微信小程序控制燈的亮度;實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)澆花;實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制手動(dòng)澆花;遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示植物情況,如光照度、土壤濕溫度。
(1)溫濕度傳感器
溫濕度傳感器是一個(gè)可以收集外界溫度與濕度數(shù)據(jù)的器件,它屬于數(shù)字類型的傳感器,其具有精度高、操作簡單、價(jià)格便宜的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在濕度調(diào)節(jié)器、除濕器等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,其操作簡單、功耗低。
(2)光線傳感器
光線傳感器是基于PT550環(huán)保型光敏二極管的光線傳感器,用途是檢測環(huán)境光線的強(qiáng)度,其原理是利用光敏二極管對(duì)光線的敏感性,使電壓電流發(fā)生變化,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值。學(xué)生常在創(chuàng)客類比賽中用其制作感應(yīng)燈等互動(dòng)作品。
(3)土壤濕度傳感器
土壤濕度檢測由土壤濕度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成,其中土壤濕度傳感器外表是不銹鋼探針和防水探頭,可埋在土壤內(nèi)使用,用于檢測表層和深層土壤中的水分子含量,A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出,然后掌控板對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。土壤濕度傳感器還可與Arduino、Microbit等開源硬件搭配使用,用來檢測土壤濕度值。
(4)繼電器
繼電器由控制線圈、觸點(diǎn)簧片、銜鐵和鐵芯構(gòu)成,是一種用電調(diào)節(jié)控制的“活開關(guān)”,也就是用小電流去控制大電流;它一邊連接控制器,另一邊連接輸出設(shè)備(水泵),且它有公共端、常閉端、常開端三個(gè)接線處,使用者可根據(jù)產(chǎn)品需要選擇常閉或常開端。本文設(shè)計(jì)的澆花系統(tǒng)是連接公共端和常閉端,就是默認(rèn)狀態(tài)下水泵是不工作狀態(tài);當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí),才會(huì)打開水泵。由此可見,繼電器連接著控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng),發(fā)揮中介開關(guān)的作用。
本設(shè)計(jì)中采用的掌控板自帶物聯(lián)網(wǎng)模塊,方便設(shè)計(jì)與安裝。軟件使用mPython,該軟件有圖形化編程和Python兩種模式,模塊種類多,還提供代碼庫、通用傳感器等,新手很容易使用。程序編寫具體思路如下:首先給系統(tǒng)供電;然后開始初始化,連接網(wǎng)絡(luò),若連接成功,則開始采集光線值、溫度值、土壤濕度值,將采集的數(shù)值在顯示屏上顯示,并上傳到服務(wù)器;用戶在小程序上綁定賬戶后,可以在小程序上以折線圖的形式查看植物的一些生長信息;最后用戶可以在小程序上選擇手動(dòng)與自動(dòng)澆水其中一種模式,若手動(dòng),則用戶遠(yuǎn)程自己控制繼電器開關(guān),讓水泵出水,若選擇自動(dòng)模式,就先判斷土壤濕度值是否大于或等于2 500,以此來決定繼電器開關(guān)以及水泵出水。程序流程如圖2所示。
圖2 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)流程
將硬件連接、程序編寫完成后,開始進(jìn)入測試運(yùn)行階段,首先關(guān)注微信小程序“我的掌控版”;然后綁定信息后,進(jìn)行光線、溫濕度、水泵測試。如圖3為小程序部分測試的數(shù)據(jù)結(jié)果,圖4為具體實(shí)物圖。
圖3 微信小程序測試結(jié)果
本文設(shè)計(jì)了基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)。用戶可以通過微信小程序隨時(shí)查看植物狀態(tài),解決常常無法親自照顧植物的問題。該項(xiàng)目處于基礎(chǔ)階段,后續(xù)還將繼續(xù)改進(jìn),增加多盆植物照顧、不同植物分類照顧以及為植物殺蟲的功能,使其更加滿足人們需求,更加實(shí)用。
圖4 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)實(shí)物