基于STM32F107的智能種植系統的設計

梁龍兵+李楊

摘 要：針對智能種植裝置功能的固定性和單一性，文中設計出一種通過手機實現社交、提供種植方案與自動種植的智能種植裝置。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用CC2530搭建無線傳感網，通過手機安卓界面實現對植物溫濕度、光照強度、施水施肥的控制。智能種植裝置的專家系統根據用戶種植的植物，為用戶提供專業的種植方案，根據植物的生長情況實現好友排名，增加人機互動的趣味性。

關鍵詞：智能種植；傳感器；STM32F107；CC2530

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

隨著我國社會經濟的迅速發展與城鎮化加劇，室內種植綠色植物，凈化空氣質量已逐漸成為主流的生活習慣。根據數據調查表明，到2015年末，城鎮人口占總人口比重達到56.1%，有種植室內植物意愿的家庭主婦、退休老人以及愿意嘗試追求新事物的年輕人，占城鎮化人口的9.8%，約為8000萬人。霧霾出現的頻次和問題加劇，因此空氣逐漸成為影響生活質量的重要指標，人們對室內環境的質量要求越來越高。而基于以上問題，本文設計了智能種植裝置，該裝置集智能種植、社交功能、專業服務于一身，可為各類城市用戶的多樣化需求提供相應服務，凈化室內空氣，增加室內種植的趣味性和娛樂性。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用CC2530搭建無線傳感網，通過手機安卓界面實現對植物溫濕度、光照強度、施水施肥的控制。智能種植裝置的專家系統則根據用戶種植的植物，為用戶提供專業的種植方案，根據植物的生長情況實現好友排名，增加人機互動的趣味性。用戶通過點觸手機，即可實現對植物的智能控制，并根據用戶需求定制相應的種植方案。該系統不僅能夠使忙碌的都市人利用碎片時間實現植物管理，增添生活樂趣，還能根據用戶的種植喜好為用戶建立社群，為其提供有趣、便捷的社交平臺。

1 智能種植系統的硬件設計

智能種植系統的硬件結構如圖1所示。智能種植裝置的硬件結構主要分為傳感器系統、控制系統、電源系統、主控芯片、服務器以及個人手機和PC端。智能裝置工作的原理傳感器系統采集植物的生長及環境信息，通過CC2530將信息傳輸至主控芯片STM32F107，STM32F107將接收到的數據與數據庫中的相應數據進行對比，以判斷植物的生長情況，并將結果傳輸至服務器或云端，用戶可利用手機和電腦登錄服務器或云端實時查詢植物的生長情況，也可以利用手機通過服務器、主控芯片、CC2530、控制系統實現植物的施水、施肥、調節光照和溫濕度等。系統將采集到的植物生物或環境信息通過由CC2530和傳感器搭建的無線網絡傳送到主控芯片，主控芯片通過數據平臺控制系統負責對采集到的數據進行存儲、信息處理和信息命令的下達，為用戶提供分析和決策以及社交依據，用戶隨時隨地通過手機和電腦進行實時查詢和控制。

1.1 傳感器系統

智能種植裝置的傳感器系統包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等。各傳感器采集不同的數據，便于用戶實時監測植物的生長情況，保障植物健康生長。各傳感器和CC2530相互組網，構成無線傳感網。

溫度傳感器采用DS18B20，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。智能種植裝置主要通過DS18B20采集種植植物生長環境的溫度，并將采集到的溫度AD值通過CC2530傳輸至主控芯片。

濕度傳感器模塊采用土壤濕度傳感器模塊，該模塊的數字量輸出引腳可以與單片機直接相連，通過單片機檢測高低電平，由此檢測土壤濕度。小板模擬量輸出引腳可以和AD模塊相連，通過AD轉換獲得土壤濕度更精確的數值。智能種植裝置主要通過濕度采集種植植物生長土壤的濕度，并將采集到的濕度AD值通過CC2530傳輸至主控芯片。

光照傳感器具有I2C總線接口（f/s模式支持），光譜范圍與人眼相近，照度數字轉換器，50 Hz/60 Hz光噪聲，光源的依賴性不大，可調光學窗口測量結果的影響，小測變異（+/-20%），紅外線影響較小。智能種植裝置主要通過光照傳感器采集種植植物生長環境的光照度，并將采集到的光照度AD值通過CC2530傳輸至主控芯片。

二氧化碳傳感器具有以下特點：具有信號輸出指示、雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）、TTL輸出有效信號為低電平、模擬量輸出30～50 mV電壓，濃度越高則電壓越高，對二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性及較長的使用壽命和可靠的穩定性、快速的響應恢復特性。智能種植裝置主要通過二氧化碳傳感器采集種植植物生長期間二氧化碳的吞吐量，并將采集到的二氧化碳AD值通過CC2530傳輸至主控芯片。二氧化碳的吞吐量是判斷植物生長健康的重要依據，因此二氧化碳傳感器也是實現植物生長好友排名的重要傳感器。

1.2 控制系統

智能種植裝置的控制結構如圖2所示。控制系統包括溫度調節系統，濕度調節系統，施水施肥系統與光照調節系統。控制系統連接傳感器和智能裝置。主控芯片接收手機或PC端傳送過來的信號，控制系統的實現主要利用控制節點、繼電器擴展模塊和相應的機電執行器，通過繼電器實現水肥、溫濕度的調節。當植物缺水時，濕度傳感器采集植物生長環境的濕度AD值，通過無線傳感網傳送至主控芯片，主控芯片將AD值與專家系統中的數據庫濕度AD值進行對比，若判斷濕度不足，則通過無線傳感網驅動繼電器施水。其他傳感器類似。

1.3 主控模塊

主控模塊采用STM32F107芯片，該芯片的標準外設包括10個定時器、兩個12位1 M sample/s AD（模數轉換器，快速交替模式下為2 M sample/s）、兩個12位DA（數模轉換器）、兩個I2C接口、五個USART接口，三個SPI端口和高質量數字音頻接口I2S。此外，STM32F107還擁有全速USB（OTG）接口，兩路CAN2.0B接口及以太網10/100 MAC模塊。此芯片可以滿足工業、醫療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場多種產品的需求。

基于STM32F107上述特點，本裝置采用STM32F107作為主控芯片，負責處理CC2530傳輸的數據，并將無線傳感網的數據與專家系統中的標準值進行對比判斷，做相應處理，之后將處理好的數據上傳至服務器或云端。主控芯片通過數據平臺控制系統負責對采集到的數據進行存儲、信息處理和信息命令的下達，為用戶提供分析和決策以及社交依據，用戶隨時隨地通過手機和電腦進行實時查詢和控制。

1.4 用戶控制模塊

用戶控制模塊主要采用手機或電腦實現，用戶通過手機登錄服務器查詢或修改服務器或云端的數據，達到控制智能種植裝置的目的，具體使用ZigBee協議，TC/IP協議以及Socket通信等實現。

2 智能種植系統的軟件設計

智能種植系統的軟件設計如圖3所示。智能種植裝置的軟件部分主要通過傳感器采集數據，經過CC2530傳輸，使STM32F107接收到數據并與標準數據對比后，判斷植物環境指標是否符合健康標準，根據具體情況做相應處理。如采集光照，將現有光照值與光照健康標準庫對比，如果現有值比庫中值強則減少光照；反之，增加光照。

該系統的軟件流程如圖4所示。其中AD采樣值包括溫濕度AD值、光照AD值、CO2 的AD值；標準健康數據庫的值包括溫濕度標準值、光照標準值、CO2標準值等。當系統接收到AD值時，與健康標準數據中的值進行對比，若高于標準值則發送減少指令，若低于標準值則發送增加指令。

3 結 語

本設計通過手機實現了集社交、種植方案、自動種植為一身的智能種植裝置。該裝置以STM32F107為主控芯片，利用手機安卓界面實現對植物溫濕度、光照強度、施水施肥的控制。專家系統根據用戶種植的植物，為用戶提供專業的種植方案，根據植物的生長情況實現社交。在增加種植趣味性的同時凈化了室內環境。

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