張云ZHANG Yun

（安徽開放大學(xué)，合肥 230022）

0 引言

在疫情防控常態(tài)化大背景下，為了保障社會及個人的安全，在休息時間，越來越多的人選擇呆在家中，減少外出，減少聚集。而長期居家容易造成心理壓力增大，心情煩躁等心理問題[1]。在這種情況下，人們可以通過在陽臺種植喜歡的植物來豐富自己的居家生活，轉(zhuǎn)移焦慮，陶冶情操，緩解心理壓力，從而保持良好心理狀態(tài)[2]。目前，國內(nèi)的城市建筑以高層商品房為主，大多數(shù)家庭種植植物只能選擇在陽臺，而陽臺各方面條件的限制以及種植技術(shù)等因素容易影響植物健康生長，降低植物存活率；再者，人們因為工作繁忙等原因無法花費更多的時間和精力照顧植物，很多植物因缺乏生長條件而無法存活[3]。

陽臺植物智能監(jiān)測管理系統(tǒng)利用空氣溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、土壤濕度檢測器、光照強度傳感器獲取植物周圍空氣的溫濕度、空氣質(zhì)量、土壤的含水量、葉面的光照強度等數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)上傳至上位機，用戶可以登錄系統(tǒng)平臺獲取植物相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)系統(tǒng)給出的建議進行相關(guān)操作，從而提高植物的存活率，讓植物會更加健康更加茁壯地生長。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

陽臺植物智能監(jiān)測管理系統(tǒng)硬件使用ESP8266 作為主控芯片，其低功耗、緊湊設(shè)計和高穩(wěn)定性可以滿足用戶的需求[4]。主控芯片ESP8266 定時采集各個傳感器的數(shù)據(jù)，再通過自帶wifi 功能，通過以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機。系統(tǒng)使用數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11 獲取植物周邊空氣溫濕度。系統(tǒng)使用空氣質(zhì)量傳感器M701A 獲取植物邊空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，文章主要使用其測量顆粒物濃度和二氧化碳濃度的功能，根據(jù)這兩個參數(shù)確定當(dāng)前植物生長的空氣質(zhì)量。系統(tǒng)使用土壤濕度傳感器MT-10 獲取植物土壤溫濕度，該傳感器性能穩(wěn)定，靈敏度高，通過測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實水分含量。系統(tǒng)使用光強傳感器BH1750 獲取植物葉面光照強度，可以通過設(shè)置寄存器來改變光強分辨率。

陽臺花卉管家硬件還包括執(zhí)行機構(gòu)——澆水電磁閥、噴水電磁閥，控制風(fēng)機電源的繼電器、控制補光燈電源的繼電器。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖1 所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

1.2 軟件設(shè)計

陽臺植物智能監(jiān)測管理系統(tǒng)包含上位機和下位機兩部分程序。

下位機程序運行在ESP8266 單片機上，該程序主要分為兩部分，一個是負(fù)責(zé)獲取各個探測器采集的數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)定時上傳到上位機；另一個是負(fù)責(zé)接收來自上位機的指令，控制澆水、噴水、通風(fēng)、補光的執(zhí)行結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的操作。

上位機程序主要用于接收下位機上傳的數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前植物生長所需的狀態(tài)，以及該植物之前一段時間的生長狀態(tài)數(shù)據(jù)。對當(dāng)前植物生長狀態(tài)進行整體分析，給出當(dāng)前植物的生長狀態(tài)信息，判斷植物各項數(shù)據(jù)是否正常，并給出相關(guān)的操作建議，如土壤濕度過低可以通過澆水功能增加土壤濕度；空氣濕度過低可以通過噴水功能增加空氣濕度等。若在用戶打開自動操作模式的情況下，系統(tǒng)自行根據(jù)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，并得出需要進一步執(zhí)行的操作，將需要執(zhí)行的操作下發(fā)到下位機，下位機根據(jù)指令進行相應(yīng)的操作。自動操作模式工作期間，系統(tǒng)定時獲取下位機數(shù)據(jù)，一旦相關(guān)數(shù)據(jù)滿足植物生長環(huán)境的需求，則通知下位機停止當(dāng)前操作。上位機軟件流程圖如2 所示。

圖2 上位機軟件主流程圖

2 功能模塊

2.1 用戶登錄

為防止他人誤操作保護個人隱私，軟件在使用前需要進行注冊。注冊完成過，可以在登錄界面登錄進入系統(tǒng)。在用戶登錄過程中，系統(tǒng)會自動檢測用戶賬號密碼是否匹配。若賬號不正確，系統(tǒng)會給出提示，并登錄不成功；賬號正確才會登錄成功。為了區(qū)分正常人和機器的操作，攔截惡意操作行為，系統(tǒng)設(shè)置了驗證碼。

系統(tǒng)登錄完成后，用戶需要手動登記當(dāng)前花盆里的植物名稱，并填寫當(dāng)前植物的一些基本信息，方便系統(tǒng)對當(dāng)前植物的生長狀態(tài)預(yù)處理。

2.2 觀察植物基本數(shù)據(jù)

系統(tǒng)利用空氣溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、土壤濕度檢測器、光照強度傳感器獲取植物生長的相關(guān)數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)直觀顯示出來。當(dāng)用戶登錄進入系統(tǒng)后，可以在系統(tǒng)主界面看到不同植物當(dāng)前的環(huán)境數(shù)據(jù)：空氣的溫濕度、空氣質(zhì)量、土壤含水量、葉面的光照強度以及植物當(dāng)前的生長狀態(tài)。系統(tǒng)主界面如圖3 所示。

圖3 陽臺植物智能監(jiān)測管理系統(tǒng)主界面

空氣溫度：植物生長的每一個過程和時期都會受到空氣環(huán)境溫度的影響，適宜的溫度可以促進植物的生長，讓植物長得更加茁壯?？諝猸h(huán)境溫度過高或過低都會導(dǎo)致植物生長緩慢，影響植物生長發(fā)育，嚴(yán)重時直接會導(dǎo)致植物死亡。

空氣濕度：空氣濕度對植物的生長發(fā)育影響較大，植物的蒸騰作用會受到空氣濕度的影響。蒸騰作用可以加速植物水分的吸收，也可以加速植物礦物質(zhì)的運輸，促進植物的生長?？諝鉂穸冗^大則會抑制蒸騰作用，有利于病菌的生長，引起病蟲災(zāi)害；空氣濕度過低會影響植物的光合作用進而影響植物的生長。

土壤水分：土壤水分是盆栽植物吸收水分的主要來源，土壤水分的含量會直接影響植物的生長狀態(tài)，它是維持植物健康生長的重要條件。土壤水分過多，容易導(dǎo)致植物生長緩慢以及植物黃葉、徒長，長時間的土壤潮濕會滋生有害細(xì)菌，降低土壤的透氣性，最終造成植物根部腐爛，枯萎死亡。土壤水分含量過少，植物的根部無法吸收足夠的水分，無法滿足植物正常生長所需的水分，會導(dǎo)致葉面脫水，如果長時間缺水，植物會干旱枯萎。

光照強度：沒有光照，植物就無法進行光合作用，從而影響植物的生長。不同植物對光照強度的需求也是不一樣的，即使是同一種植物，在不同生長階段所需要的光照強度也是不一樣的。適宜的光照強度是植物健康生長必不可少的條件，特別一些喜陽的植物，為植物提供充足的光照強度至關(guān)重要。如果陽光不足，則植物生長就會受到影響；如果光照過長或過強，會導(dǎo)致植物葉面曬傷，嚴(yán)重時還會曬死植物。

植物生長狀態(tài)：根據(jù)當(dāng)前傳感器收集的植物各類相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)會自動分析當(dāng)前植物周圍空氣的溫濕度、空氣質(zhì)量、土壤含水量、葉面光照強度相關(guān)數(shù)據(jù)，并給出植物當(dāng)前的生長狀態(tài)以及建議相關(guān)操作：正常、建議噴水、建議澆水、建議通風(fēng)、建議補光。

2.3 操作功能

澆水：在種植過程中，澆水量是植物生長存活的關(guān)鍵。通過澆水可以增加植物土壤水分，維持植物生長所需的水分。不同季節(jié)不同品種植物生長期間對水需求量是不一樣的，系統(tǒng)會根據(jù)植物種類、花盆的大小、植物的生長階段、不同季節(jié)等各方面因素并結(jié)合傳回來的基本數(shù)據(jù)，給出實施澆水的建議，以保證植物生長過程中必要的澆水量。系統(tǒng)會自動分析當(dāng)前植物缺水狀態(tài)，同時會在主界面直接顯示。如果用戶打開自動澆水的功能，系統(tǒng)會自動對植物澆水，當(dāng)土壤濕度達(dá)到要求會自動關(guān)閉澆水。同時用戶也可以根據(jù)自己的需求手動點擊澆水按鈕進行澆水。

噴水：在種植過程中，通過噴水可以增加空氣的濕度，特別在秋冬季節(jié)氣候比較干燥的時候。在植物幼苗時期也要多注意噴水的次數(shù)，確保植物生長的空氣濕度。若是一些生長期間需要大量水分的植物，經(jīng)常噴水也可以促進植物快速生長。系統(tǒng)會根據(jù)植物的生長特性，結(jié)合傳回來的基本數(shù)據(jù)，給出實施噴水的建議，以保證植物對水分的需求。系統(tǒng)會自動分析當(dāng)前植物周圍空氣環(huán)境濕度，同時會在主界面直接顯示當(dāng)前空氣濕度。如果用戶打開的自動噴水的功能，系統(tǒng)會自動對植物葉面和周圍空氣主動噴水，當(dāng)周圍空氣濕度達(dá)到植物生長要求后會自動關(guān)閉噴水。同時用戶也可以根據(jù)自己的需求手動點擊噴水按鈕進行噴水。

通風(fēng)：在種植過程中，通風(fēng)不好會導(dǎo)致植物周圍二氧化碳濃度偏低、周圍空氣濕度高，細(xì)菌繁殖快，長時間通風(fēng)差會抑制植物生長，導(dǎo)致植物病菌感染直至枯萎死亡。系統(tǒng)對植物周圍的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)進行分析后，會給出是否需要通風(fēng)的建議。如果用戶打開的自動通風(fēng)的功能，系統(tǒng)會打開風(fēng)機，增強通風(fēng)，一段時間后再關(guān)閉風(fēng)機。用戶也可以設(shè)置定時通風(fēng)，系統(tǒng)會在指定的時間打開風(fēng)機進行通風(fēng)。

補光：在種植過程中，光照會直接影響植物生長，不同的植物對光照有不同的需求，系統(tǒng)在獲取光照數(shù)據(jù)后，會根據(jù)植物對光照的需求，給出是否需要對植物進行補光操作。如果用戶打開的自動補光的功能，系統(tǒng)會自動打開補光燈，增強光照，當(dāng)光照時間滿足植物需求后，自動關(guān)閉補光燈。用戶也可以設(shè)置定時補光，系統(tǒng)會在指定的時間打開補光燈給植物補光。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的陽臺植物智能監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對植物生長基本數(shù)據(jù)的采集，并將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C，上位機根據(jù)采集到的基本數(shù)據(jù)，對當(dāng)前植物生長的環(huán)境進行分析，及時提醒用戶當(dāng)前需要對植物進行哪種操作，也可以自動對植物進行澆水、噴水、通風(fēng)、補光等操作。在種植植物過程中，該系統(tǒng)可以幫助人們提高植物的存活率，減少人們在種植過程中需要花費的時間和精力，緩解人們的工作壓力，提升人們的生活質(zhì)量，同時也具有較好的應(yīng)用價值。