姚文俊,黃慶南,馮 斌,紀(jì)泓良,譚夏連

（廣西科技大學(xué)，廣西 柳州 545001）

近年來，我國小型盆栽種植規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，據(jù)2016年全國花卉產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2016年全國花卉種植面積達(dá)133萬hm2，銷售額1 389.70 億元，出口額達(dá)6.17 億美元。2019年我國盆栽銷量僅蝴蝶蘭這一種類就達(dá)6 000 萬～7 000 萬株，由此可見盆栽市場具有較好前景［1］。許多科研人員也競相投入智能盆栽研究中［2-3］。智能花盆既是智能家居的一部分，也是智能農(nóng)業(yè)的一個分支，其可以通過網(wǎng)絡(luò)將人與物，物與物聯(lián)系，以智能化的方式養(yǎng)護(hù)植物［4］。

我國市場上的智能花盆多采用傳統(tǒng)澆灌器械，主要為定時澆灌的智能花盆，澆水時不能根據(jù)植物的生長環(huán)境對其進(jìn)行合理灌溉，在戶外養(yǎng)殖情況下，即使是雨天，傳統(tǒng)的智能花盆也會自動對盆栽進(jìn)行澆水，造成一定的水資源浪費并會導(dǎo)致綠植（花卉）的死亡。此外，一些智能花盆僅有監(jiān)測功能，只能提醒人們手動澆灌。為解決目前市場上智能花盆存在的問題，基于STM32 單片機(jī)設(shè)計智能盆栽管家系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32 為控制核心，通過土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器采集盆栽的含水量，環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，同時借助WIFI將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到機(jī)智云端，將監(jiān)測［5］與智能澆灌［6］結(jié)合在一起。對不同種類的盆栽可調(diào)節(jié)其灌溉水量，并根據(jù)環(huán)境變化對植物進(jìn)行自動澆灌，在保證綠植花卉健康生長的情況下，兼顧節(jié)約水資源的目的。

1 總體設(shè)計

智能盆栽管家系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為主控終端，通過溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理，通過ESP8266WIFI 模塊上傳到機(jī)智云端。用戶可在OLED 屏幕直接觀看植物當(dāng)前的狀態(tài)信息，也可通過手機(jī)移動端程序查看［7］。同時系統(tǒng)能根據(jù)實際的植物種類，自定義澆灌水量參數(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程手動或智能澆灌［8-10］。

系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。其中硬件部分包括STM32 單片機(jī)、土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、ESP8266WIFI 模塊以及灌溉裝置。軟件部分由STM32 芯片程序與移動設(shè)備程序共同構(gòu)成。系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 智能盆栽管家系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2 硬件部分

2.1 STM32主控

系統(tǒng)基于STM32F103C8T6 核心板進(jìn)行開發(fā)，基本參數(shù)：64 KB FLASH、20 KB SRAM（靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器）、1個高級定時器、2 個通用定時器、2 個12 位的A-D 轉(zhuǎn)換器以及SPI 和IIC 通信接口。對比其他MCU，STM32F103C8T6 有著優(yōu)異的配置，以及更低的成本，因此選擇其作為智能盆栽管家系統(tǒng)的主控芯片。

2.2 土壤濕度檢測

為準(zhǔn)確判斷植物當(dāng)前是否缺水，需對盆栽中土壤濕度（含水率）進(jìn)行測定。采用的土壤濕度傳感器型號為FC-28，由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成，使用時將其插入土壤內(nèi)。土壤濕度傳感器的實質(zhì)是一個隨濕度變化而變化的可變電阻，土壤的濕度與其電阻值呈正比，利用這個關(guān)系就可以得到土壤的干濕度信息。

2.3 空氣溫濕度檢測

系統(tǒng)的溫濕度檢測部分采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11，其是一款復(fù)合型溫度和濕度傳感器，由感溫元器件和電阻式測濕度元器件組成，無需A-D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換就能直接輸出數(shù)字信號，在保證傳感器穩(wěn)定性和可靠性的前提下，又兼具響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)、性價比高等優(yōu)點。

2.4 無線通信模塊

系統(tǒng)通信部分采用正點原子的ESP-8266WIFI 模塊，其工作模式有3 種，STA 模式：模塊通過路由器連接上互聯(lián)網(wǎng)，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。AP 模式：模塊作為熱點，實現(xiàn)手機(jī)或電腦直接與模塊通信，實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。STA+AP模式：STA 與AP 模式共存，模塊既可通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)；也可作為WIFI 熱點，供其他設(shè)備連接。系統(tǒng)中該模塊工作于STA+AP 模式下，ESP8266WIFI 模塊與STM32 單片機(jī)的接線圖見圖2。

圖2 ESP8266WIFI與STM32接線圖

2.5 澆灌系統(tǒng)

系統(tǒng)的澆灌部分由一個6 V 的小型抽水泵與5～12 V繼電器組成。工作時，應(yīng)給繼電器輸入5 V的供電電壓，并使其工作于低電平觸發(fā)狀態(tài)［11］；抽水泵的正極與繼電器的常開觸點連接在一起（圖3），當(dāng)土壤濕度低于一定值時，單片機(jī)將得到信號，通過I/0 口輸出一個低電平，使得繼電器吸合在一起，公共端與常開觸點導(dǎo)通，從而使抽水泵開始工作。

圖3 澆灌系統(tǒng)簡易仿真電路

3 軟件部分

3.1 STM32主控程序

STM32 程序以C 語言進(jìn)行編寫，方便閱讀與調(diào)試，整個程序分為土壤濕度采集、空氣溫濕度采集、ESP8266WIFI 通信三大模塊，STM32主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程

土壤濕度采集模塊主要是讀取土壤傳感器的模擬量輸出數(shù)據(jù)，并通過STM32 內(nèi)置的12 位ADC 通道轉(zhuǎn)換，將模擬量變?yōu)閿?shù)字量，根據(jù)土壤的濕度與傳感器電壓輸出呈正比關(guān)系，利用公式：（傳感器當(dāng)前輸出電壓值/傳感器輸出最大電壓值）×100%，即可得到土壤的濕度值。

空氣溫濕度采集模塊是將溫濕度傳感器里的溫度和濕度分別讀出，DHT11 的數(shù)據(jù)格式：8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)＋8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)＋8位校驗和，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 位，高位先出。數(shù)據(jù)采用校驗和方式進(jìn)行校驗，有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

ESP8266WIFI 通信模塊是整個程序配置的重點，首先需要通過AT 指令A(yù)T＋CWMODE=3 將工作模式設(shè)置為STA＋AP 并對其燒錄機(jī)智云固件，燒錄成功后即可通過路由器連接上網(wǎng)絡(luò)。最后，利用串口通信方式，將創(chuàng)建好的電池電壓、土壤濕度值、空氣溫度/濕度等數(shù)據(jù)，定時自動上傳到機(jī)智云端并讀取云端指令。

3.2 移動設(shè)備程序

系統(tǒng)在機(jī)智云demo 開源APP 的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，在用戶登錄成功后，可進(jìn)入“我的設(shè)備”進(jìn)行綁定盆栽，綁定完成后（圖5）可以查看盆栽當(dāng)前的環(huán)境信息、電池電壓情況。此外，用戶可以根據(jù)需求開啟“澆水”功能，STM32 單片機(jī)在接收云端指令后將會導(dǎo)通繼電器，對盆栽進(jìn)行澆灌。選擇“自動模式”，系統(tǒng)將會結(jié)合當(dāng)前土壤的濕度、環(huán)境溫濕度以及用戶定義參數(shù)進(jìn)行智能澆灌。

圖5 程序APP界面

4 系統(tǒng)測試

將系統(tǒng)的土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、OLED 屏幕以及ESP8266WIFI 模塊引腳分別與STM32 上相應(yīng)的I/O 口進(jìn)行連接，繼電器的控制管腳連接到PB5 上，開關(guān)與水泵連接。連接好系統(tǒng)的硬件后，即可開機(jī)測試。在室外條件下，先對系統(tǒng)的澆灌功能進(jìn)行測試，通過軟件將澆灌命令設(shè)置為土壤濕度的40%，當(dāng)土壤濕度達(dá)到80%后停止?jié)补?，測得的數(shù)據(jù)如表1所示，即系統(tǒng)在土壤濕度（40±1）%時澆灌開啟，當(dāng)土壤濕度達(dá)到（80±3）%時停止?jié)补?，澆灌系統(tǒng)達(dá)到基本預(yù)測目標(biāo)且在1 min內(nèi)濕度值逐漸趨于穩(wěn)定。

表1 澆水后1 min內(nèi)土壤濕度值變化情況 %

隨后將土壤濕度傳感器插入盆栽土壤中，每隔1 h 對盆栽的信息進(jìn)行記錄，以精度較高的數(shù)字測量工具測得的值作為實際測量值，最終測試結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算，系統(tǒng)對土壤濕度測量的值與實際值的平均誤差為2.27%，空氣溫度、濕度測量值與實際值的平均誤差分別為7.02%和3.43%，均在誤差允許范圍內(nèi)，測量值可信度較高。

表2 智能盆栽管家系統(tǒng)測試結(jié)果

5 小結(jié)

基于STM32 設(shè)計的智能盆栽管家系統(tǒng)，通過各類傳感器實現(xiàn)了對盆栽土壤濕度和空氣溫濕度信息的實時監(jiān)測，并采用ESP8266WIFI 模塊與機(jī)智云服務(wù)器通信以傳遞盆栽數(shù)據(jù)和用戶指令，利用手機(jī)移動APP，完成盆栽溫濕度信息的實時展示與遠(yuǎn)程控制澆灌。經(jīng)測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能按設(shè)計目標(biāo)對盆栽進(jìn)行澆灌，且測量誤差較小。針對用戶的需要可以拓展pH 檢測，土壤肥力監(jiān)測等功能，在一定程度上節(jié)約了水資源，實用性強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。