基于控制土壤濕度的智能花卉澆水系統(tǒng)設計

摘 要： 利用MSP430單片機的控制存儲技術，設計出一種控制花卉土壤濕度并且顯示記錄濕度值的系統(tǒng)，解決了不能及時澆水以及缺乏澆水管理導致花卉生長不健康的問題。系統(tǒng)利用土壤濕度傳感器進行實時檢測花卉的土壤濕度，檢測模式根據(jù)土壤濕度的不同值判斷花卉是否需要澆水，通過恰當?shù)臐菜渴够ɑ苌L在一個適宜的土壤濕度環(huán)境中。當主人外出時，自動模式能夠模仿檢測模式對花卉進行澆水，實現(xiàn)了自主學習的功能，達到了智能澆水的目的。

關鍵詞： MSP430； 土壤濕度傳感器； 花卉； 智能澆水； 數(shù)據(jù)顯示記錄； 自主學習

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0110?04

0 引 言

現(xiàn)代人想擁有綠色環(huán)保的家庭環(huán)境和生活質量，很多人都在家里種植了各種花卉，以期望改善室內的空氣質量，目前更是比較流行陽臺種菜，以便能吃到綠色營養(yǎng)的蔬菜。但是緊張快速的生活節(jié)奏又使得上班族經(jīng)常顧此失彼。尤其是遇到節(jié)假日出行或探親，更是花草和作物們的苦難日，人們長假歸來經(jīng)常看到的是一片枯萎。為此，人們迫切期望能有一種家用的自動澆水裝置，能夠解決花草作物及時澆水的問題[1]。本設計將花卉與單片機MSP430技術結合起來，設計了一個能夠實時檢測花卉土壤濕度并且能夠根據(jù)土壤濕度情況進行自動澆水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在植物需要澆水的時候進行自動澆水，使花卉土壤濕度值保持在一個合適的水平，并且用戶可以根據(jù)需要提取數(shù)據(jù)庫中傳感器的濕度數(shù)值。

1 系統(tǒng)方案設計

根據(jù)花卉的土壤濕度情況，系統(tǒng)可以實現(xiàn)出門遠行無人在家的時候，通過控制單片機來進行給花卉自動澆水的功能。系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示，花卉自動澆水系統(tǒng)結構主要由單片機、土壤濕度傳感器模塊、澆水模塊、輸出模塊、時鐘模塊以及電源模塊6大部分組成。土壤濕度傳感器模塊負責實時檢測花卉的土壤濕度值，將花卉的土壤濕度值轉換為RS 485電壓差輸出，然后通過MAX485接口芯片轉化為TTL電平。澆水模塊由繼電器和電磁閥構成，當花卉處于缺水狀態(tài)時，通過控制繼電器進而控制電磁閥進行澆水。輸出模塊由液晶顯示屏組成，它可以顯示土壤濕度值。時鐘模塊提供系統(tǒng)時鐘，完成濕度的數(shù)據(jù)讀取及處理。電源模塊分別為單片機、土壤濕度傳感器、繼電器和水箱電磁閥提供合適的電壓[2]。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

MSP430單片機是整個控制系統(tǒng)的核心內容，通過設定適宜的土壤濕度值，根據(jù)土壤濕度傳感器傳送來的土壤濕度值進行控制水箱電磁閥開關，并且不同時刻的土壤濕度值可以顯示在LCD屏上，從而保證土壤濕度值處在最適合花卉生長的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2.1 主控制器

單片機是信息采集單元的核心部分，控制著整個系統(tǒng)，因此單片機的選取十分重要。考慮到實時對花卉土壤濕度值采集的系統(tǒng)特點，因此選用低功耗特性的MSP430G2553單片機作為微處理器。MSP430系列單片機[3]由美國德州儀器（TI）公司推出，是一種具有16位超低功耗的混合信號處理器，它采用的低電源電壓范圍為1.8～3.6 V，可在不到1 μs的時間里超快速地從待機模式喚醒。MSP430G2553單片機具有內置的16位定時器、多達24個支持觸摸感測的I/O引腳、一個通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內置通信能力[4]。MSP430G2553的引腳分布如圖2所示，其中P1口、P2口和P3口24個管腳是通用I/O口，每個管角都有第二功能。系統(tǒng)中用到的管腳有RST，用于復位；P1.0、P1.1和P1.2引腳外接RS 485芯片接口電路；P3.7用來控制澆水模塊。

圖2 MSP430G2553的引腳分布圖

2.2 土壤濕度傳感器模塊

該系統(tǒng)采用SM2802M型土壤濕度傳感器來測定土壤中的含水量，傳感器的工作電壓為DC 12～24 V，測量范圍為0～100%，測量精度為3%FSD，RS 485接口輸出。傳感器采用世界先進的最新FDR原理制作，其性能和精度可與TDR型和FD型土壤水分傳感器相媲美，并在可靠性與測量速度上具有更大的優(yōu)勢[5]。SM2802M是一種高精度、高可靠性、受土壤質地影響不明顯的快速土壤水分測量傳感器。該土壤濕度傳感器為新一代土壤水分測量傳感器，采用工業(yè)級精密核心元件，使其具有優(yōu)越的準確性與長期穩(wěn)定性，并且體積設計小巧化，結構設計合理密封。它以環(huán)氧樹脂密封膠灌封，可以直接埋入土壤中使用且不受腐蝕，保證較長的使用壽命。

2.3 RS 485芯片接口電路

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS 485芯片，采用單一電源5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通信方式，完成將TTL電平轉換為RS 485電平的功能。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個驅動器和接收器。RD和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，與單片機連接時只需分別與單片機的RXD和TXD相連即可。[RE]和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當[RE]為邏輯0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個管腳控制這兩個引腳即可；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為1；當A引腳的電平低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為0。在與單片機連接時接線非常簡單，只需要一個信號控制MAX485的接收和發(fā)送即可，接口電路如圖3所示。

圖3 芯片接口電路圖

2.4 澆水模塊

澆水模塊是由繼電器和水箱電磁閥組成的，具體電路圖如圖4所示。系統(tǒng)選用單片機的P3.7端口控制該模塊，采用DC12V水箱電磁閥，通過12 V電壓進行控制。當花卉處于缺水狀態(tài)時，單片機的P3.7端口輸出低電平，三極管飽和導通，+5 V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，電磁閥打開，開始為花卉澆水[6]。當花卉不需要澆水時，單片機的P3.7端口輸出高電平，三極管截止，繼電器線圈兩端沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，電磁閥關閉。

2.5 電源模塊

電源模塊電路如圖5所示，在自動澆水系統(tǒng)中，單片機采用3.3 V電源電壓進行供電，繼電器采用5 V電源電壓進行控制，水箱電磁閥采用12 V電源電壓進行控制。12 V開關電源電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓集成電路得到5 V電壓，然后經(jīng)過穩(wěn)壓芯片SPX1117輸出3.3 V電壓。

圖4 澆水模塊電路圖

圖5 電源模塊電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件部分可分為系統(tǒng)初始化模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、控制澆水模塊和低功耗休眠模塊6大部分[7]，主程序流程圖如圖6所示。系統(tǒng)初始化模塊主要完成液晶顯示屏以及其他外設的初始化。信號采集模塊主要的功能是提取花卉的土壤濕度值。數(shù)據(jù)存儲模塊完成對土壤濕度傳感器的RS 485接口輸出結果的存儲，而數(shù)據(jù)顯示模塊能夠在LCD屏上顯示出檢測的土壤濕度值。控制模塊的作用是根據(jù)土壤濕度的不同情況來澆水或停止?jié)菜５凸男菝吣K可以通過系統(tǒng)進入休眠模式來實現(xiàn)低功耗的作用。

3.1 系統(tǒng)檢測模式的軟件設計

系統(tǒng)進入檢測模式時，數(shù)據(jù)存儲模塊完成對土壤濕度傳感器RS 485接口輸出數(shù)據(jù)的存儲，而數(shù)據(jù)顯示模塊能夠顯示最近2次采集到的濕度數(shù)據(jù)值。每個測試周期從剛給花卉澆完水開始，系統(tǒng)每隔6 h工作一次，當土壤濕度低于10%一天以后再次進行澆水。用戶還可以按下按鍵，從液晶顯示屏上讀出不同時刻的土壤濕度值，這些數(shù)值會存儲在單片機的寄存器中，能夠記錄下花卉在不同時刻的生長狀態(tài)。

3.2 系統(tǒng)自動模式的軟件設計

當自動模式開啟時，選取測量的三次濕度值的平均值作為土壤濕度設定值，也可以通過按鍵來獲得設定的閾值。單片機判斷經(jīng)RS 485接口輸出得到的數(shù)值，若該值在24 h之后仍低于土壤濕度設定值，則進行澆水；若該值在24 h之后不低于土壤濕度設定值，則不澆水。整個系統(tǒng)進行實時的采集、比較，使土壤濕度值保持在最適宜花卉生長的狀態(tài)，當土壤濕度傳感器出現(xiàn)故障時，單片機能夠根據(jù)平時的記錄數(shù)據(jù)來控制澆水模塊進行給花卉澆水，具有一種自學習的功能。

圖6 主程序流程圖

3.3 系統(tǒng)休眠模式的軟件設計

通過MSP430單片機的CPU進入休眠模式來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，從而使整個程序流程處于待機被喚醒的狀態(tài)。MSP430的工作模式通過模塊的智能化運行管理和CPU的狀態(tài)組合以先進的方式支持超低功耗的各種要求。系統(tǒng)啟動后首先檢測土壤的濕度值，因為濕度的測試可以間隔一段時間測量一次，所以設定一個觸發(fā)周期為6 h，檢測完之后自動回到休眠狀態(tài)，這時指示燈顯示是滅的。當周期的觸發(fā)脈沖到來時，CPU退出休眠模式并被快速喚醒，系統(tǒng)開始工作[8]。在休眠過程中，喚醒方式分為兩類：既可以是測量喚醒，這時指示燈是亮的，利用濕度傳感器測量土壤濕度值；還可以通過按鍵喚醒在液晶顯示屏上讀出已經(jīng)測量的濕度值。

4 實驗測試

在花盆里部署土壤濕度傳感器來構建模擬實驗平臺， 土壤材料選取普通的適合花卉生長的泥土，花卉采用大家比較熟悉且喜濕的滴水觀音，采樣間隔設為6 h。系統(tǒng)工作一段時間后，用戶可以提取寄存器中存儲的濕度數(shù)據(jù)值。表1為系統(tǒng)工作6天檢測模式的土壤濕度值，表2為系統(tǒng)工作6天自動模式的土壤濕度值，圖7為檢測模式的土壤濕度變化曲線，圖8為自動模式的土壤濕度變化曲線，圖中虛線表示土壤濕度的分布范圍[9]。

測試結果表明，檢測模式在土壤濕度低于10%一天之后進行澆水，能夠記錄下系統(tǒng)工作6天的土壤濕度值，而自動模式能夠模仿檢測模式對花卉進行澆水，實現(xiàn)了自主學習的功能，達到了智能澆水的目的。

表1 檢測模式土壤濕度值 %

表2 自動模式土壤濕度值 %

圖7 檢測模式土壤濕度變化曲線

5 結 語

本文以超低功耗、高性價比的MSP430單片機為控制中心，設計了根據(jù)土壤濕度給花卉智能澆水的系統(tǒng)。此設計解決了大部分花卉不能及時澆水的問題，并且能夠根據(jù)土壤濕度的不同進行澆水，使花卉生長在一個適宜的土壤濕度環(huán)境中。系統(tǒng)的創(chuàng)新點在于存儲并顯示記錄不同時刻的土壤濕度值，以防傳感器出現(xiàn)故障時模仿花卉的習慣進行澆水。它有兩種工作模式可供選擇：主人在家時選擇檢測模式；主人外出時選擇自動模式。系統(tǒng)的功能還可以更加完善，例如把攝像頭抓取的花卉生長情況通過GPRS模塊發(fā)送到用戶的手機上[10]，讓使用者通過圖片的形式了解花卉的生長狀況。設計簡單方便，可實施性高，不管在家里還是辦公室，都可以很好的使用，具有相當可觀的應用前景。

圖8 自動模式土壤濕度變化曲線

參考文獻

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