基于物聯網的室內綠植微環境系統研究與實現

王哲　于莉莉　高占民　候喜靜　徐良

摘要：生活在城市中的人們與生機盎然的大自然已漸行漸遠，這在很大程度上激發了人們對綠色植物的渴求，綠色生態意識獲得了空前的提高，成為空間陳設的關注焦點。該文利用傳感器技術，通過單片機控制并設計WIFI模塊實現手機控制，同時在系統中增加了加濕模塊，集凈化空氣加濕一體化設計，對室內綠植智能化精準養殖做了一次全新的嘗試。

關鍵詞：單片機；物聯網；專家庫；加濕

隨著城市空氣質量問題的產生，凈化空氣市場日漸興起，綠色植物成本低、無二次污染、美化環境、凈化空氣等特點，成為市場追捧的熱點。市面上出現了許多如植物墻等設計公司，但大都設計復雜，價格昂貴，需要較大空間，而且后期維護成本高，這樣導致了其發展的局限性。本設計是基于物聯網技術，由單片機控制器，傳感器模塊和WiFi無線傳輸模塊共同組成。由特定的底盆，個性化的綠植，結合霧化系統，實現綠植凈化空氣、霧化加濕及美觀于一體的功能?？梢詫崟r監控周邊和土壤內環境，實時報警并根據數據分析及時做出決策，并建立一套滿足大多數室內植物生長習性的參數數據庫滿足植物多樣性要求，同時可以實現通過移動終端遠程訪問的功能。

1綠植微環境系統設計

基于物聯網的綠植微環境系統是集數據采集、數據處理、反饋控制、遠程訪問等功能為一體的軟件和硬件的系統，系統的主要功能是利用環境溫濕度傳感器、光照強度傳感器、土壤濕度傳感器，實時地對花盆內植物的環境濕度、環境溫度、光照強度和土壤濕度等信息進行采集，然后經STCl5W4K48S4單片機對采集的數據進行處理，通過串口將處理后的數據傳輸到LED顯示屏和配置好的WiFi無線模塊，WiFi模塊再將數據發送到互聯網的服務端，用戶可以通過實際情況選擇在顯示屏上直接查看或者通過局域網或互聯網在瀏覽器上訪問控制系統，實現遠程訪問和遠程控制。同時本系統將建立專家植物數據庫，并可以不斷對數據庫數據進行更新，用采集到的數據與設定好的相應的生長環境的數據進行比對，若與設定值不同，就會控制蜂鳴器發出報警提示同時執行相應的預設操作。使植物能夠獲得更適宜的生長環境。

2系統硬件設計

2.1電源轉換電路

由于STC15W4K48S4單片機和各種傳感器均需要5V的直流電源供電，但是WiFi模塊和水泵則分別需要3.3V和12V的電源供電，因此本文選擇LM117穩壓芯片和LM2577穩壓芯片作為降壓模塊和升壓模塊的主芯片。LM117穩壓芯片的工作電壓為輸入直流電壓4.7V～10V，輸出直流電壓3.3V。模塊輸出最大工作電流為800mA，完全滿足本設計的需求，其降壓電路如圖2所示。圖2中Vin端輸入5V電壓，Vout輸出3.3V電壓。本設計選用LM2577升壓模塊的工作電壓為輸入直流電壓3v～24V，輸出直流電壓3V～32V。模塊輸出最大電流為1.2A，本設計采用高效率散熱片，增加了濾波電路并有效地減少了輸出波紋，使模塊的輸出效率更高，輸出電壓更穩定。其升壓電路如圖3所示，P1和P2分別為輸入電壓5v和輸出電壓3.3V。

2.2傳感器模塊

由于需要采集適宜綠植生長所需要的溫度、濕度、光照強度、和土壤濕度等環境參數，所以本設計選擇以下這4個傳感器。針對空氣溫度和濕度本文選用DHT11溫濕度傳感器，其測量量程分別為0-50℃、0%-100%，測量誤差分別為±2℃、±5%；對于光照強度的測量選擇的是BHl750FVI傳感器，其光照強度范圍為0-655351x；土壤濕度傳感器采用YL69土壤濕度傳感器，通過本傳感器A0引腳采集到的土壤濕度模擬量，土壤濕度越大，獲取的模擬量越大，再通過STCl5W4K48S4單片機核心板上的10位A/D轉換器進行模數轉化，使獲取的數據更加準確。為了提高YL69土壤濕度傳感器的導電性能，同時防止傳感器接觸土壤易出現生銹的問題，本設計中的土壤濕度傳感器在檢測表面進行了鍍鎳處理，大大延長了傳感器的使用壽命。

2.3數據處理電路

本設計的主控制芯片選用的是STCl5W4K48S4單片機，STCl5W4K48S4單片機是高速、寬電壓、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8—12倍。內置5個16位定時器/計數器，4個高速異步串行通信端口，6路15位PWM，8通道10位高速ADC，可徹底省掉外部昂貴的晶振和外部復位電路。各傳感器通過單片機核心板的控制，對花盆周圍的環境參數進行實時采集，將采集到的數據輸入到主控芯片中，經過處理將其分類轉化為我們所需要的環境濕度值、環境溫度值、光照強度值和土壤濕度值，然后通過芯片內集成的串行通信端口將處理后的數據傳輸到花盆自帶的顯示屏和WiFi無線通信模塊上?？刂破鞑杉@示電路如圖4所示。

2.4報警電路

當植物的某個生長參數超出系統的預設值時，系統能夠通過蜂鳴器進行提示報警，相對應的指示燈會亮起，并在顯示屏上給出合理建議，報警電路設計圖如圖5所示。

2.5加濕器和水泵控制電路

本文系統能自動維護環境空氣濕度在一個合理的范圍（用戶可預設），當濕度低于或高于此閾值時，系統將啟動或關閉加濕模塊；系統還能自動維護土壤含水量在一個合理適宜的范圍（不同植物根據植物數據庫中數據設定），當土壤含水量出現超限報警時，系統能自行澆水；加濕器和水泵的控制電路如圖6所示。

2.6無線模塊的電路設計

現今常見的無線傳輸技術有GSM通訊技術、Zig-gee技術、NFC近場通訊技術和WiFi無線傳輸技術。由于WiFi具有傳輸速度快，有效距離長，使用戶無論在世界上哪個角落，只要有3G/4G或wifi網絡都可以控制家中的家用電器、燈泡、插座的等智能產品的優點，所以本設計中使用的無線通訊技術為WiFi無線通訊技術。本設計選用ESP-12E WiFi模塊，使用AT指令進行開發，支持STA+AP模式同時存在單獨STA和單獨AP模式，是一款基于樂鑫ESP8266的一款超低功耗的UART-WiFi模塊，是一款專為移動設備和物聯網應用設計的模塊。本WiFi模塊采用的是ESP8266射頻芯片，其工作電壓為3.0～3.6V，本設計采用3.3V電壓。WiFi模塊可以作為客戶端或服務端，本設計使用的是服務端模式，其與單片機連接的電路圖如圖7所示

3系統軟件設計

3.1下位機數據采集顯示軟件設計

本系統中對環境參數的采集和處理是由傳感器和單片機共同完成的。傳感器采集到的環境參數經單片機處理后，在花盆自身的顯示屏上顯示出來，如超過預定閥值，對應參數的指示燈會被點亮，蜂鳴器會定時報警，顯示屏上也會顯示相關建議。同時，單片機會將處理過的環境參數通過WiF的無線傳輸方式發送至上位機和手機APP。下位機軟件流程圖如圖8所示

3.2上位機工作流程圖

上位機在綠植微環境系統中起到了數據接收，設置各項參數閥值和顯示的作用，其軟件流程圖如圖9所示。

3.3 WiFi通信軟件設計

植物體養殖過程全部數據都可通過室內WiFi上傳至數據庫，上傳過程由單片機核心板與WiFi模塊共同完成。首先使用核心板上的串口通信功能將AT指令發送給WiFi模塊對WiFi模塊進行配置（配置WiFi的工作模式、名字、密碼、IP地址和通訊協議等），無線WiFi模式有待WiFi配置完成后將傳感器所檢測到的數據通過WiFi模塊上傳至云端數據庫（使用TCP協議、遠端IP地址和遠端端口），使用戶能夠實時的查看花盆的實際情況。用戶可選擇使用手機APP或電腦上位機直接查看或控制花盆。

4結束語

綠植陳設不僅可以裝飾美化居室環境，避免空間環境的單一呆板，彌補硬裝的缺陷，還可以改善室內空氣質量，在室內環境中營造出自然清新的室內氛圍，有益于人的身心健康，讓人即使身處室內也能感受到大自然的氣息。