過琦芳 馬國智 李夢晴 顧展展

（蘇州農(nóng)業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們在家中、辦公室放置一些盆栽植物成為一種時尚。這樣做不僅起到美化環(huán)境、凈化空氣的作用，而且可以達到陶冶情操、愉悅身心的目的。筆者結(jié)合家庭盆栽因不可控因素疏于打理的現(xiàn)實及期望盆栽植物健康生長的需求，設計了一款由感知模塊、執(zhí)行模塊、電源模塊、Wi-Fi無線通信模塊及微控制器模塊構(gòu)成的智能盆栽澆灌器。該澆灌器通過土壤濕度傳感器實時采集土壤濕度信息，并由STM32 單片機進行數(shù)據(jù)處理，輸出控制命令，從而控制水泵的開啟與關閉，實現(xiàn)自動澆灌的目的。傳感器數(shù)據(jù)可通過Wi-Fi 模塊發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)云平臺，使得在線監(jiān)測和云端控制成為可能。

1 系統(tǒng)總體設計方案

整個系統(tǒng)由主控模塊、傳感器采集模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、按鍵模塊、水泵控制模塊、Wi-Fi 無線通信模塊及報警模塊等組成，其中主控芯片采用STM32F103 微控制器。智能澆灌器總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。土壤濕度傳感器實時采集土壤的濕度信息，通過AD 轉(zhuǎn)換直接傳給STM32 微控制器；STM32 微控制器通過與設定的閾值進行比較，當采集值小于設定的下限值時， STM32 微控制器按照預定的控制機制發(fā)出控制命令，控制水泵運轉(zhuǎn)，進行澆水。當實時采集的土壤濕度值大于設定的上限值時，STM32 微控制器發(fā)出控制指令讓水泵停止運轉(zhuǎn)，停止?jié)菜Ｋ粋鞲衅髦饕獧z測儲水箱的水位，實現(xiàn)水位過低時自動報警的功能。傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-Fi 模塊直接上傳至云平臺，用戶可在線查看傳感器數(shù)據(jù)，設置閾值，手動遠程控制澆灌設備。

圖1 智能澆灌器總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控電路

微控制器是該澆灌器的控制核心，此系統(tǒng)采用STM32F103C8 作為主控芯片。該芯片是意法半導體有限公司出品的一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核的32位的微控制器，具有64 kB 的閃存容量，工作電壓為2.0 ～3.6 V。與8 位的51 單片機相比，其性能好，完全可以滿足該系統(tǒng)的控制要求。

2.2 土壤濕度檢測電路

土壤濕度傳感器用來檢測土壤的水分含量。該系統(tǒng)采用YL69 土壤濕度傳感器。該傳感器感應面積大，耐腐蝕性好，具有良好的導電性能，使用壽命長。而且該傳感器既可以輸出數(shù)字量信號，也可以輸出模擬量信號，可以通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)閾值，實現(xiàn)對土壤濕度的寬范圍控制，可以自動對盆栽進行澆水。將土壤濕度傳感器與STM32 的PA12 引腳相連，實現(xiàn)對土壤濕度的檢測。

2.3 水位報警電路

水位檢測采用電阻式液位傳感器，其利用具有一系列暴露的平行導線線跡測量液位從而判斷水位，輸出的模擬值由STM32 微控制器的ADC 進行轉(zhuǎn)換并讀取。水位傳感器與STM32 的PA13 引腳相連，當儲水箱水位異常時，由STM32 單片機發(fā)出控制命令，驅(qū)動蜂鳴器進行報警。

2.4 水泵控制電路

此系統(tǒng)由繼電器充當水泵開關控制水泵出水。繼電器是用小電流控制大電流運作的一種“自動開關”，通常用于自動控制電路中，因此，可以將其作為自動澆灌器的電機驅(qū)動模塊。為了保證水泵的正常工作，需要給水泵單獨進行供電。將繼電器和STM32的PA11 引腳相連，STM32 單片機根據(jù)采集的傳感器數(shù)據(jù)和設定的閾值比較結(jié)果發(fā)出控制命令，控制繼電器的吸合和斷開，從而實現(xiàn)自動澆水。水泵控制電路如圖2 所示。

圖2 水泵控制電路

2.5 Wi-Fi 通信電路

Wi-Fi 通信模塊選用ESP8266 芯片。該芯片最大的特點是性價比高，具有強大的片上處理和存儲能力，高度片內(nèi)集成，僅需很少的外部電路就可以實現(xiàn)完整且自成體系的Wi-Fi 網(wǎng)絡解決方案。而且該芯片支持AT 指令設置大部分參數(shù)，同時能被設置為透傳模式，這樣ESP8266 就相當于是在互聯(lián)網(wǎng)和UART 之間有了通信橋梁。ESP8266 Wi-Fi 模塊與STM32 單片機的串口2 相連，實現(xiàn)與云平臺的通信。ESP8266 接口電路如圖3 所示。

圖3 ESP8266 接口電路

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)軟件采用“STM32CubeMX+MDK-ARM”的開發(fā)工具組合進行開發(fā)，使用C 語言編寫程序。整個程序采用模塊化設計，主要包括系統(tǒng)初始化子程序、按鍵子程序、數(shù)據(jù)上傳云平臺子程序、數(shù)據(jù)處理子程序及繼電器控制子程序等部分，系統(tǒng)的主程序流程如圖4 所示。系統(tǒng)初始化完成后，可以通過按鍵手動設置土壤濕度的上、下限值，然后土壤濕度傳感器實時采集土壤的濕度值并發(fā)送給微控制器，微控制器將實時采集的土壤濕度值與設定的閾值相比較，判斷是否需要澆水。當土壤濕度低于預設的下限值時，微控制器發(fā)出控制命令啟動水泵開始抽水，以增加土壤濕度；在抽水過程中不斷檢測濕度值，一旦到達預設的濕度上限值時，則關閉水泵電路，停止?jié)菜?/p>

圖4 系統(tǒng)主程序流程

4 結(jié)語

筆者基于STM32 微控制器設計了一款針對盆栽的智能澆灌器。該澆灌器通過土壤濕度傳感器實時采集土壤濕度數(shù)據(jù)，微控制器將采集數(shù)據(jù)與設定值進行比較分析并發(fā)出控制指令，控制水泵的開啟與關閉，從而實現(xiàn)按需按量智能澆花。同時，該系統(tǒng)具備水位過低報警功能及遠程手動控制功能。該澆灌器很好地解決了人們由于工作繁忙或長時間外出導致花卉盆栽無人看護的問題。經(jīng)過模擬測試，該系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測及自動澆水等功能。