武瀟

（吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林吉林，132000）

0 引言

在社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，人民生活水平和生活條件都有了顯著改善，對住房環(huán)境和生活質(zhì)量都有了更高的要求。在家里或者辦公室種植花卉也成了大多數(shù)人提高生活品質(zhì)的選擇，既可以豐富生活，還可以美化環(huán)境。但是由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，人們常常用自己的經(jīng)驗(yàn)或者主觀地給花盆里補(bǔ)水，當(dāng)人們出差或者旅行時(shí)，家中花卉就會沒有人照顧。智能澆花系統(tǒng)不僅可以精準(zhǔn)控制澆花的時(shí)間，還可以精確控制澆水的量。在忙碌的生活中，人們往往需要一個(gè)智能澆花系統(tǒng)，可以在他們離家時(shí)智能管理室內(nèi)的花卉。智能澆花系統(tǒng)不僅解決了花卉的管理問題，也實(shí)現(xiàn)了人們追求綠色健康生活方式的理念。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)集成了主控電路、繼電器控制單元、無線網(wǎng)絡(luò)通信單元、電源轉(zhuǎn)換電路和人機(jī)交互單元五部分。通過DHT11 溫濕度傳感器和YL-69 土壤濕度傳感器檢測花卉生存環(huán)境的溫度，濕度和土壤的濕度。傳感器收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到WiFiduino 控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)經(jīng)過ESP8266 無線通信模塊上傳到公共云平臺和手機(jī)APP Blinker，再通過手機(jī)APP Blinker 顯示給了用戶識別，使用戶可以通過移動設(shè)備實(shí)時(shí)觀察環(huán)境數(shù)據(jù)。

需要智能澆花系統(tǒng)位于WiFi 局域網(wǎng)內(nèi)，將使用WiFiduino 中的ESP8266 WiFi 模塊通過路由器導(dǎo)入云服務(wù)器端，發(fā)送數(shù)據(jù)欄數(shù)據(jù)到云服務(wù)器端并保存，同時(shí)以云服務(wù)器端顯示設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。用戶可以由手機(jī)APP Blinker 開發(fā)的應(yīng)用程序頁面，查看花卉當(dāng)前生存環(huán)境的溫度，濕度和土壤的濕度。同時(shí)用戶可以通過在手機(jī)APP Blinker 上設(shè)置開關(guān)按鈕進(jìn)行遠(yuǎn)程控制澆花的操作，利用這種方法能實(shí)現(xiàn)對花卉生長環(huán)境的調(diào)整。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WiFiduino 是一款以ESP8266 為核心的開發(fā)板，WiFiduino 在現(xiàn)有的Arduino 控制器之上提供WiFi 支持，相當(dāng)于Arduino 和ESP8266 的復(fù)合板。

我們可以將無線通信模塊和Arduino UNO 組合在一起，實(shí)現(xiàn)將Arduino 連接到互聯(lián)網(wǎng)，然而這樣使硬件部分復(fù)雜且昂貴，而且還要?jiǎng)?chuàng)建和管理Arduino 和WiFi 部分的通信邏輯。所以在對比各種開發(fā)板之后我選擇了WiFiduino，它支持WiFi 通信的新型Arduino 兼容開發(fā)板。WiFiduino是一個(gè)開源硬件和軟件平臺，用于電子原型設(shè)計(jì)，其中有WiFiduino 板和 Arduino IDE，以及類似于 Java、C/C++和其他語言的開發(fā)環(huán)境[1]。WiFiduino 可使用 USB 連接電腦進(jìn)行供電，也可使用 AC 適配器進(jìn)行外部供電。WiFiduino上有 6 個(gè)模擬輸入口和 14 個(gè)數(shù)字 IO 口，使用者可根據(jù)需要接入數(shù)字輸入輸出口或模擬輸入輸出口。Micro usb 數(shù)據(jù)線可以給WiFiduino 供電，也可以往WiFiduino 板中下載程序。

■2.2 ESP8266 WiFi 模塊

考慮到使用智能澆花系統(tǒng)的場景和中國 WiFi 的普及情況，本文選擇 ESP8266 WiFi 模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)信息。不過本系統(tǒng)不需額外外接ESP8266 WiFi 模塊，WiFiduino 開發(fā)板的核心就是以ESP8266 WiFi 模塊。ESP8266 WiFi 模塊使用IEEE 802.11 系列無線通信協(xié)議，允許Arduino 通過系列端口進(jìn)行通信。如圖3 和圖4 所示。

■2.3 溫濕度傳感器模塊

采用集成微芯片的DHT11 作為溫濕度傳感器，它能將電阻濕度傳感器元件和NTC溫度傳感元件集成到傳感器中，能檢測傳感器內(nèi)集成的NTC 測溫元件和電阻式感濕元件，可以發(fā)出數(shù)字信號[2]。DHT11 優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

（1）傳輸數(shù)據(jù)僅靠單線，需要使用的I/O 口較少。

（2）已經(jīng)于出廠的時(shí)候校準(zhǔn)輸出數(shù)字信號，所以數(shù)據(jù)信息精度高，易于處理。

（3）功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，信號傳輸遠(yuǎn)距離。

可檢測范圍：溫度0°C～50°C（誤差：±2°C），濕度20%～95%RH（誤差：±5%RH），它的檢測范圍不是很大，但普通情況下已經(jīng)夠用。在選擇產(chǎn)品時(shí)，備選的還有一個(gè)SHT75 溫濕度傳感器，它的優(yōu)勢是精度高，檢測范圍大，可檢測到溫度-40°C～123.8°C（誤差：±0.3°C），濕度0～100%相對濕度（誤差：±相對濕度1.8%）[3]。它的劣勢是操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴。最后，在各方面對比之下，在符合系統(tǒng)功能要求的基礎(chǔ)之上，本文選擇的溫濕度傳感器為DHT11 溫濕度傳感器，如圖5 所示。

■2.4 土壤濕度傳感器模塊

選取YL-69 土壤濕度傳感器，它有鍍鎳表面，增加了導(dǎo)電性，而且在現(xiàn)場與土壤接觸時(shí)可以防止氧化。YL-69 土壤濕度傳感器輸出土壤數(shù)據(jù)有以下兩種方法：

首先，對準(zhǔn)D0 連接器將高電平和低電平輸出，土壤濕度閾值也可以調(diào)整。順時(shí)針調(diào)整3362 電位器，濕度會越來越大；逆時(shí)針調(diào)整，濕度會越來越小[4]。端口可以用芯片直接連接到單片機(jī)上，開發(fā)板評估土壤的濕度方法是根據(jù)輸出的高低電平。

另外，通過AD 轉(zhuǎn)換，對A0 口模擬接收的采樣的方法是ADC，能獲取更準(zhǔn)確的土壤水分值，本文用到這種設(shè)計(jì)方法，如圖6 所示。

如圖6 所示，WiFiduino 板收集土壤濕度傳感器 AO 口輸出的模擬電壓，并且會通過 ADC1 不同的數(shù)據(jù)通道分別檢測不同花盆的土壤濕度。

■2.5 繼電器控制模塊

傳輸電路必須設(shè)計(jì)為通過繼電器繞組傳導(dǎo)大電流（約50 mA），這樣繼電器內(nèi)的線圈才能吸合。該系統(tǒng)的工作原理是使用NPN 型三極管為繼電器提供較大電流。圖7 為繼電器的驅(qū)動電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

■3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)軟件編程也很重要。在本系統(tǒng)中，不僅有單芯片微控制器用作控制器，還有無線通信模塊，因此在選擇編程軟件時(shí)要反復(fù)斟酌。有許多適用于開發(fā)板的軟件編程平臺，例如Keil 等。智能澆花系統(tǒng)軟件編程平臺選擇了Arduino IDE。

Arduino IDE 不僅具有了基本的編程語言所需要的基本環(huán)境，同時(shí)還包含了所有的WiFiduino 硬件開發(fā)版所需要的編譯程序與交互軟件。使用者在通過 Arduino IDE 編譯程序時(shí)首先將其語言轉(zhuǎn)換為 C++程序語言，Arduino IDE 擁有創(chuàng)建WiFiduino 板所需的所有編譯器和交互式軟件，以及主要編程語言所需的基礎(chǔ)環(huán)境。當(dāng)用戶使用 Arduino IDE構(gòu)建應(yīng)用程序時(shí)，最開始使用為C++編程語言，然后使用avr-gcc（avr-gee 是專門為運(yùn)行在 Gnu-C 編譯器上的 AVR處理器設(shè)計(jì)的開源編碼器）檢測整個(gè)編譯語言并從WiFiduino 控制面板運(yùn)行它，寫出一組二進(jìn)制代碼用來操控硬件裝置[5]。這頁二進(jìn)制代碼通過計(jì)算機(jī)側(cè)面的USB 接口下載到WiFiduino 內(nèi)存中，在那里進(jìn)行處理并最終存儲。圖8 顯示Arduino IDE 編譯環(huán)境界面。

■3.2 手機(jī)APP blinker 開發(fā)

手機(jī)APP blinker 是用于實(shí)現(xiàn)用戶和硬件之間人機(jī)交互和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的必要設(shè)備，APP 界面可以顯示實(shí)時(shí)參數(shù)、濕度異常報(bào)警、灌溉條件評估，手動澆花確認(rèn)等。手機(jī)軟件的設(shè)計(jì)是使用應(yīng)用程序Blinker 完成的。

手機(jī)APP Blinker 有以下功能：（1）顯示實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)信息?？梢燥@示溫度、濕度和土壤濕度數(shù)據(jù)信息，使用戶可以在手機(jī)APP Blinker 界面觀察實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)信息?？梢暬h(huán)境參數(shù)（2）滿足預(yù)定的澆花條件時(shí)警告。溫度、濕度達(dá)到預(yù)設(shè)下限時(shí)，在Blinker 界面給一個(gè)溫濕度異常警告。（3）手動澆花管理。依靠人工經(jīng)驗(yàn)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，操作手機(jī)APP Blinker 實(shí)現(xiàn)手動澆花。（4）定期澆水?？梢栽O(shè)置在手機(jī)APP Blinker 頁面的定時(shí)任務(wù)中，設(shè)置定期澆水。

在移動應(yīng)用程序開發(fā)中，Blinker 允許開發(fā)人員自定義應(yīng)用程序管理界面。Blinker 還為遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)提供方便、易于使用的解決方案，此設(shè)計(jì)具有較好的可擴(kuò)展性。使用自帶開發(fā)工具的APP 和互聯(lián)網(wǎng)，可以設(shè)計(jì)個(gè)性化的手機(jī)APP 頁面。用戶可以在移動應(yīng)用設(shè)備的應(yīng)用程序頁面上遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)信息。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

智能澆花系統(tǒng)，是由WiFiduino 開發(fā)板為核心的控制電路，傳感器電路和其他硬件電路一起組成的設(shè)備。系統(tǒng)根據(jù)與設(shè)定好的溫度和濕度值進(jìn)行對比，在超過設(shè)定值時(shí)實(shí)現(xiàn)自動澆花。同時(shí)可以通過手機(jī)APP Blinker 實(shí)時(shí)觀測花卉生長環(huán)境參數(shù)，其監(jiān)測界面效果圖如圖 9 所示。

如圖11 所示，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度，當(dāng)傳感器檢測到濕度水平降至定義的下限以下時(shí)，繼電器控制水泵開始工作給花卉澆水。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2 WiFiduino 開發(fā)板

圖3 ESP8266 模塊穩(wěn)壓電路

圖4 ESP8266 模塊硬件電路

圖5 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器電路

圖6 YL-69 土壤濕度傳感器電路

圖8 Arduino IDE 編譯環(huán)境界面

圖9 手機(jī)APP 子頁面

圖10 系統(tǒng)軟件程序

圖11 系統(tǒng)硬件實(shí)物連接圖

5 小結(jié)

智能澆花系統(tǒng)可以根據(jù)不同植物的習(xí)性特點(diǎn)（如種類、生長期、需水量等）設(shè)計(jì)不同的澆灌方案，適時(shí)適量地澆灌植物，既能滿足植物正常生長的需水要求，同時(shí)又不至于讓土壤濕度過大，提高植物對灌溉水利用率，此外還可以節(jié)省人力。

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能澆灌：當(dāng)土壤濕度傳感器檢測到盆栽植物達(dá)到臨界缺水狀態(tài)時(shí)，智能控制終端收到請求信號后，按需求水量進(jìn)行補(bǔ)水，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能澆灌。也可以實(shí)現(xiàn)手動澆灌：用戶可以通過手機(jī)APP 頁面實(shí)時(shí)查看盆栽植物的溫濕度，也可以通過手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動控制盆栽植物的澆灌。