基于Beetle微型控制器的多功能花卉傳感器

樊星 馬國(guó)禎 邱雪瑩 毛辰

摘要：文章設(shè)計(jì)了一款多功能的花卉傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)和狀態(tài)反饋。系統(tǒng)可利用按鍵對(duì)花卉類(lèi)型進(jìn)行選擇，通過(guò)多款傳感器對(duì)花卉生長(zhǎng)過(guò)程中的土壤濕度信息、溫度信息和光照強(qiáng)度信息進(jìn)行采集，并利用Beetle微型控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)呼吸燈對(duì)狀態(tài)進(jìn)行反饋。

關(guān)鍵詞：Beetle微型控制器；呼吸燈；晝夜平均；花卉傳感器；花卉生長(zhǎng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0030-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.016

伴隨著生活節(jié)奏的加快，以上班族為代表的都市快節(jié)奏人群沒(méi)有時(shí)間去學(xué)習(xí)如何照顧各種不同的植物，因此需要一種方便小巧的智能設(shè)備來(lái)幫助提醒或者替代人們?nèi)フ疹欀参铩?guó)內(nèi)外目前同類(lèi)型的相關(guān)研究較多，但多數(shù)集中在對(duì)土壤濕度的檢測(cè)而忽略了對(duì)光照和溫度信息的采集，采集信息單一。而且系統(tǒng)多以澆花裝置為核心，土壤濕度傳感器作為輔助模塊。對(duì)大多數(shù)長(zhǎng)期在家的用戶(hù)而言，澆花裝置不是必選項(xiàng)，只需準(zhǔn)確把握植物的澆水時(shí)機(jī)即可；其次這樣的系統(tǒng)存在體積較大的問(wèn)題，使用過(guò)程中占用花卉的生長(zhǎng)空間不利于花卉的生長(zhǎng)。我們所設(shè)計(jì)的基于Beetle微型控制器的多功能花卉傳感器系統(tǒng)，是以土壤濕度檢測(cè)為主，光照、溫度檢測(cè)為輔的多功能傳感器。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于花卉環(huán)境信息的采集和處理，并利用呼吸燈指示狀態(tài)。由于采用微型控制器和微型傳感器，系統(tǒng)體積小巧，使用過(guò)程中占用花卉生長(zhǎng)空間小。同時(shí)，系統(tǒng)可單獨(dú)使用，也可多個(gè)系統(tǒng)搭配一個(gè)自動(dòng)澆花裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多盆花卉的管理。

1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以Beetle微型控制器為核心，采用紐扣電池供電。系統(tǒng)包含有土壤濕度、溫度、光照信息的數(shù)據(jù)采集模塊，三色呼吸燈的狀態(tài)指示模塊，按鍵的花卉類(lèi)型選擇模塊和用于與澆花裝置連接的串口通信接口。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后進(jìn)行初始化，通過(guò)統(tǒng)計(jì)按鍵次數(shù)選擇不同花卉類(lèi)型，修改三種信息的觸發(fā)閾值。初始化結(jié)束后定期采集花卉所處環(huán)境的三種狀態(tài)信息，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行修正計(jì)算后和所選花卉的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀態(tài)對(duì)比。若發(fā)現(xiàn)其中一項(xiàng)或多項(xiàng)數(shù)據(jù)不滿(mǎn)足花卉的最低生存標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)顏色LED燈通過(guò)PWM波驅(qū)動(dòng)按呼吸燈方式點(diǎn)亮，實(shí)際數(shù)據(jù)偏離標(biāo)準(zhǔn)越遠(yuǎn)則PWM波周期越短，呼吸節(jié)奏越急促。在連接有澆花裝置的情況下，若土壤濕度信息低于閾值，在點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)顏色呼吸燈的同時(shí)通過(guò)串口通信模塊向澆花裝置傳遞缺水信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 Beetle微型控制器

Beetle是Arduino Leonardo的極簡(jiǎn)版本，具備和Leonardo類(lèi)似的強(qiáng)大應(yīng)用能力。該控制器體積小巧（20mm×20mm），常用于微小系統(tǒng)的構(gòu)建。其擁有PWM接口、數(shù)字接口、模擬輸入接口、串口通信接口等多種接口，可搭載多種類(lèi)型的外設(shè)。Beetle的端口功能見(jiàn)表1：

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要由Moisture Sensor土壤濕度傳感器、LM35線(xiàn)性模擬溫度傳感器和LX1972模擬環(huán)境光線(xiàn)傳感器三款傳感器組成，分別負(fù)責(zé)采集植物的土壤濕度、溫度和光照強(qiáng)度信息。三款傳感器的結(jié)構(gòu)和接口類(lèi)似，包含有VCC、GND和OUT三個(gè)接口。其中三個(gè)傳感器的OUT分別與Beetle的A0、A1和A2相連。傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息由OUT口以模擬量的形式輸出，Beetle的模擬端口通過(guò)10位ADC將模擬信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行計(jì)算。

以Moisture Sensor土壤濕度傳感器為例闡述其工作原理，土壤濕度傳感器是以判斷土壤中水分含量的多少來(lái)判定土壤的濕度大小。使用時(shí)將土壤濕度傳感器插入土壤中，兩探頭之間的土壤存在電阻值，電阻值大小和土壤濕度相關(guān)，土壤濕度越大則阻值越小。如圖3所示，當(dāng)土壤濕度傳感器探頭懸空時(shí)，三極管基極處于開(kāi)路狀態(tài)，三極管截止輸出為0；當(dāng)插入土壤中時(shí)由于土壤中水分含量不同，土壤的電阻值就不同，三極管的基極就提供了大小變化的導(dǎo)通電流，三極管從電極到發(fā)射極的導(dǎo)通電流受到基極控制，經(jīng)過(guò)發(fā)射極的下拉電阻后轉(zhuǎn)換成電壓由OUT輸出。Beetle控制器通過(guò)A0模擬輸入端口讀取電壓信息，通過(guò)10位ADC轉(zhuǎn)換后進(jìn)行計(jì)算。

3 控制方式及優(yōu)化

3.1 工作原理

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)以后，9、10和11口拉低熄滅LED燈。進(jìn)行初始化需要對(duì)花卉的類(lèi)型進(jìn)行選擇，同時(shí)按下SW1和SW2按鈕則進(jìn)入花卉類(lèi)型選擇狀態(tài)，9、10和11口拉高點(diǎn)亮LED燈表示進(jìn)入選擇狀態(tài)。SDA和SCL口統(tǒng)計(jì)下降沿的數(shù)量進(jìn)行計(jì)數(shù)，連續(xù)5s內(nèi)無(wú)下降沿信號(hào)則認(rèn)為選擇結(jié)束，熄滅LED燈。通過(guò)計(jì)數(shù)判斷所選擇的花卉類(lèi)型，不同類(lèi)型花卉的生長(zhǎng)需求已提前置入，系統(tǒng)在判斷出花卉類(lèi)型后通過(guò)查表獲得數(shù)據(jù)，并修改相關(guān)的觸發(fā)閾值。初始化結(jié)束后，打開(kāi)中斷進(jìn)入循環(huán)掃描狀態(tài)。計(jì)時(shí)器每隔一定時(shí)間觸發(fā)一次中斷，中斷服務(wù)程序中讀取各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并存入保存，采集到的數(shù)據(jù)每隔24h清空一次。

例如當(dāng)檢測(cè)到的濕度信息不滿(mǎn)足花卉生長(zhǎng)需求時(shí)，根據(jù)實(shí)際值和標(biāo)準(zhǔn)值差值，向A0口輸出不同周期，占空比循環(huán)增大和減小的PWM波。差值越大，PWM波的周期越短，呼吸節(jié)奏越急促。對(duì)應(yīng)顏色LED燈按照一定節(jié)奏漸亮漸滅，向用戶(hù)指示狀態(tài)。

如果連接有自動(dòng)澆花裝置，則在點(diǎn)亮LED燈的同時(shí)通過(guò)TX和RX與澆花裝置溝通，向澆花裝置傳遞澆水信號(hào)，澆花裝置在接收到缺水信號(hào)后，打開(kāi)水泵對(duì)花卉進(jìn)行一次少量的澆水隨即關(guān)閉水泵。澆水結(jié)束后與系統(tǒng)溝通，系統(tǒng)隨即再次檢測(cè)土壤濕度信息，若檢測(cè)到花卉依舊缺水則重復(fù)上述操作，若檢測(cè)到土壤濕度滿(mǎn)足花卉生長(zhǎng)需求則不再向自動(dòng)澆花裝置發(fā)出澆水請(qǐng)求。該控制方式可適應(yīng)不同大小花盆，避免澆水過(guò)量導(dǎo)致水溢出和影響花卉生長(zhǎng)。對(duì)于光照強(qiáng)度的檢測(cè)不同于土壤濕度和溫度的檢測(cè)方式。若光照強(qiáng)度不滿(mǎn)足條件則指示用戶(hù)，會(huì)造成夜晚的時(shí)候系統(tǒng)不斷地提示光照不足。采取的解決方案為，儲(chǔ)存系統(tǒng)一晝夜所采集的所有光照強(qiáng)度，每隔24小時(shí)對(duì)所采集的所有光照強(qiáng)度信息進(jìn)行加權(quán)平均后判斷花卉所處環(huán)境是否光照充足。

3.2 提高檢測(cè)靈活性

如果傳感器按固定周期采集數(shù)據(jù)的方式過(guò)于單一，兩次采集之間存在明顯的空白期，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的靈活性不足。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析靈活的調(diào)節(jié)檢測(cè)的頻率可以很好地解決問(wèn)題，下面以搭配澆花裝置時(shí)的土壤濕度檢測(cè)為例解釋工作原理。設(shè)置花卉生長(zhǎng)的土壤濕度下限和預(yù)警線(xiàn)，預(yù)警線(xiàn)高于其濕度下限。土壤濕度伴隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷下降，高于的預(yù)警線(xiàn)時(shí)以較慢頻率進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到預(yù)警線(xiàn)后提高檢測(cè)頻率，低于土壤濕度下限后繼續(xù)提高檢測(cè)頻率并報(bào)警指示。實(shí)際過(guò)程中存在有多條不同級(jí)別的預(yù)警線(xiàn)，實(shí)際土壤濕度越接近濕度下限則檢測(cè)頻率越高。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以Beetle微型處理器為核心構(gòu)建了一套集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)響應(yīng)為一體的多功能花卉傳感器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境的感知和報(bào)警。系統(tǒng)本身可單獨(dú)工作用于提醒用戶(hù)及時(shí)呵護(hù)花卉，也可搭配自動(dòng)澆花裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的無(wú)人看護(hù)。目前已經(jīng)制作成實(shí)物，實(shí)物體積小巧，造型美觀，具有較大的市場(chǎng)潛力。目前存在的主要問(wèn)題是：Moisture Sensor土壤濕度傳感器的探頭只能插在土壤表層，僅能獲得淺層土壤的濕度信息，該信息不能直觀反映整體的土壤含水水平。后續(xù)的主要工作將集中在通過(guò)達(dá)西定律建立合理的數(shù)學(xué)模型，找到表層土壤濕度信息和土壤整體含水水平的關(guān)系，進(jìn)一步提高檢測(cè)精度。

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作者簡(jiǎn)介：樊星（1995-），男，寧夏固原人，西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院本科學(xué)生，研究方向：機(jī)械電子工程。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）