鄭楊煜，劉 星

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201600）

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們的生活水平日益提高，精神文明需求逐漸增大，越來越多的人傾向于在家中種植觀賞性植物，但有時(shí)因工作需要長(zhǎng)期在外，無法做到及時(shí)關(guān)注植物的水分需求。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過搭建智能灌溉控制系統(tǒng)來滿足家庭種植過程中植物在不同環(huán)境下的灌溉需求已成為可能[1-4]。因此，結(jié)合實(shí)際需求，本課題設(shè)計(jì)了一套低成本的溫濕度自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的家庭自動(dòng)化灌溉。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控芯片，由風(fēng)扇控制電路、溫濕度傳感器電路、LCD1602液晶顯示電路、藍(lán)牙模塊電路和電源電路組成。

（1）單片機(jī)芯片的擇定

采用意法半導(dǎo)體公司（ST）的STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控制器，它具有ARM最新架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，擁有極低功耗的同時(shí)也有優(yōu)秀的性能，易于開發(fā)[5-6]。

（2）無線遙控模塊的選擇

采用藍(lán)牙模塊進(jìn)行本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無線傳輸。相比于其他無線傳輸模塊，藍(lán)牙模塊具有成本低、功耗小、傳輸速率快、可靠性強(qiáng)和兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)；且藍(lán)牙技術(shù)已在智能手機(jī)中得到廣泛使用，使得基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居系統(tǒng)應(yīng)用也會(huì)十分便捷，容易被大眾接受。

（3）顯示方案的選擇

采用LED液晶顯示屏，其功能豐富，可顯示大量文字圖形，并且相對(duì)美觀，十分適合數(shù)據(jù)展示。在本系統(tǒng)中可選用LCD1602液晶顯示屏，其內(nèi)置192種字符，編寫程序較為簡(jiǎn)單，并且功率小、使用壽命長(zhǎng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)由STM32單片機(jī)、風(fēng)扇控制電路、灌溉控制電路、溫濕度傳感器電路、LCD1602液晶顯示電路、藍(lán)牙模塊電路和電源電路組成。通過溫濕度傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤的濕度與周圍環(huán)境的溫度，當(dāng)溫度超過所設(shè)置的閾值，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，并觸發(fā)風(fēng)扇啟動(dòng)；當(dāng)濕度低于所設(shè)置的閾值，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息，并觸發(fā)灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果推送至液晶屏和APP上顯示。最后通過APP控制風(fēng)扇和灌溉系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。

2.2 模塊電路設(shè)計(jì)

2.2.1 基于STM32單片機(jī)的電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所選用的控制芯片是STM32系列處理器，該款芯片能在實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能的前提下提供更豐富的接口，以便于設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目所需的外圍擴(kuò)展電路[7-8]。此芯片在完成單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)后上手較為容易，具有很好的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)研究?jī)r(jià)值。STM32單片機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖2 STM32單片機(jī)核心板實(shí)物

2.2.2 基于LCD1602液晶顯示模塊的電路設(shè)計(jì)

LCD顯示器一般分為兩種：字段顯示和字符顯示。字段顯示只要將對(duì)應(yīng)的信號(hào)送到相應(yīng)的管腳就能顯示相應(yīng)的內(nèi)容；字符顯示根據(jù)需要顯示基本字符。

本設(shè)計(jì)采用字符顯示的LCD1602液晶顯示器顯示輸出信息，可使用電位器調(diào)節(jié)液晶顯示屏的對(duì)比度，其具體電路原理如圖3所示。與傳統(tǒng)的LED數(shù)碼管顯示器件相比，液晶顯示模塊體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富，不需要外加驅(qū)動(dòng)電路；并且LCD1602可以顯示2行16個(gè)漢字，基本滿足本系統(tǒng)的字符顯示需求。

圖3 LCD1602液晶顯示電路原理

2.2.3 5 V散熱風(fēng)扇控制電路（高電平有效）設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中使用三極管9012對(duì)散熱風(fēng)扇進(jìn)行控制，電路中加入電阻，目的是限流并保護(hù)三極管。當(dāng)單片機(jī)所定義的引腳為高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，風(fēng)扇正常工作；為低電平時(shí)，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.4 JDY-30藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊是指集成藍(lán)牙功能的芯片基本電路集合，用于無線網(wǎng)絡(luò)通信。本藍(lán)牙模塊就是為了無線數(shù)據(jù)傳輸而專門設(shè)計(jì)的，支持串行接口，支持SP藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏性高等特點(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)較多功能。藍(lán)牙模塊實(shí)物如圖4所示。

圖4 藍(lán)牙模塊實(shí)物

2.2.5 DHT11溫濕度傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

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，集成了成熟的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，有很高的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)其抗干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快，使用起來十分便捷[9-12]。DHT11傳感器模塊內(nèi)部電路如圖5所示。模塊實(shí)物如圖6所示。

圖5 DHT11溫濕度傳感器模塊內(nèi)部電路

圖6 DHT11溫濕度傳感器實(shí)物

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用易讀性和移植性高的C語(yǔ)言編寫程序，使用Keil μVision5 by ARM軟件進(jìn)行代碼的編譯與調(diào)試，這款I(lǐng)DE被廣泛地用于代碼的編寫和測(cè)試；程序的燒錄使用的是ST-LINK下載器。程序運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 程序運(yùn)行流程

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)人們?cè)诩彝ブ参锱嘤^程中的灌溉需求進(jìn)行深入研究，以STM32F103C8T6嵌入式單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了實(shí)用型家庭智能灌溉系統(tǒng)，以滿足不同植物在不同環(huán)境條件下的水分需求，同時(shí)使用智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)視和人工控制。設(shè)計(jì)過程中采用了溫濕度傳感器、藍(lán)牙模塊等電子元件，并根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)，最終成功實(shí)現(xiàn)了家庭灌溉系統(tǒng)的智能控制。同時(shí)，在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可通過增加其他電子元器件，增改寫控制程序，快速便捷地實(shí)現(xiàn)更多拓展功能，以滿足本設(shè)計(jì)原始功能范圍之外的其他個(gè)性化需求，可廣泛應(yīng)用于家庭、公園、農(nóng)田等各種場(chǎng)景，根據(jù)不同植物特性進(jìn)行精細(xì)化栽培，提高植物生長(zhǎng)質(zhì)量和灌溉效率、節(jié)約資源。