基于ARDUINO的室內盆栽智能澆灌檢測系統的設計

崔喬

摘要：本文介紹了一種基于ARDUINO的室內盆栽智能系統，該系統利用ARDUINO開發板、溫濕度檢測模塊、WIFI模塊、互聯網平臺等常用單元，實現智能化土壤濕度檢測和自動澆灌功能，有效解決了家庭或辦公室花卉澆灌不當帶來的問題。

關鍵詞：ARDUINO開發板；數據采集；智能澆灌

隨著社會的飛速發展，人們的生活節奏越來越快，與大自然接觸的時間越來越少，從而導致更多的人選擇將盆養植物融入日常生活進行室內養殖。研究表明，盆養花草的死亡，80%是由于澆灌不及時引起的，而市面上推出的多款盆栽自動澆水系統，一般只適用于大型溫室機構，并且價格昂貴，而關于家庭或辦公室的盆栽養殖澆灌系統，則鮮有推出。[1]針對這種情況，本文設計了一款致力于解決家庭盆栽的智能澆灌檢測系統，目的是幫助上班族或出差族打理自己的花卉。

1 設計思想

本文所研究設計的灌溉系統框圖利用ARDUINO板塊、溫濕度模塊、WIFI模塊、互聯網平臺等常用單元，實現土壤濕度檢測和自動澆水智能系統的有效連接，完成智能灌溉功能。如圖1所示，利用土壤溫濕度傳感器進行溫濕度數據采集，將采集到的數據傳輸至Arduino端口，顯示在Arduino IDE上，再通過WIFI模塊，將數據上傳至互聯網平臺，利用PC與手機客戶端進行監測。

2 設計原理

2.1 主要器件原理介紹

2.1.1 Arduino Uno

近幾年，隨著科技發展，開發板推陳出新。相對只支持Linux 系統，價格昂貴的 Raspberry Pi，Beagle Board這兩種板子，Arduino Uno則是一塊開放性很強的板子，其軟件部分Arduino IDE，更是一個開源免費的平臺。由于Arduino的開放性以及設計圖紙的完全公開，用戶可根據自己需求對軟件庫和硬件部分進行修改，以滿足所需傳感器各方面的要求。Arduino包括的硬件部分：一個同時具有14路數字輸入/輸出口的ATmega328；一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕[2]。Arduino的主控板通過USB線與電腦接口連接，通過Arduino IDE的調試端口進行數據導入和導出。

2.1.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器的主要作用是將土壤溫度量和相對濕度量轉換成易被測量處理的電信號。本系統使用的是目前市場上應用較多YL69土壤濕度傳感器，YL69土壤濕度傳感器由傳感器接觸端，靈敏度調節的電位器，電源指示LED，電源正負極，開關信號輸出，模擬信號輸出，開關指示LED組成。

2.1.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于測量和反饋當時所處空間范圍內的溫濕度。DHT11是一款已有校準數字信號輸出的溫濕度傳感器。精度濕度+5%RH， 溫度+2℃，量程濕度2090%RH， 溫度0～50℃。傳感器包括一個電阻濕感元件和一個NTC測溫元件，并與Arduino連接[3]。其四個引腳分別控制：VCC，DATA，N/A，GND。

2.1.4 電機驅動模塊

電機驅動模塊用于驅動電機，控制電機轉速。L298N 是一款高電壓、大電流電機驅動芯片[4]。該芯片采用15腳封裝，內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可驅動直流電動機和步進電動機；具有兩個使能控制端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅動電機，不僅可驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，還可驅動兩臺直流電機。

2.1.5 WIFI模塊

WIFI模塊用于無線數據傳輸，可以使開發板和PC之間實現數據互通和傳輸。ESP8266 WIFI 模塊是基于UART接口的符合WIFI無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧。

2.2 系統搭建

在搭建系統時，應先注意ARDUINO連接面包板后與溫濕度傳感器，土壤傳感器相連接，同時面包板上搭接WIFI模塊。將電機驅動模塊也連接至ARDUINO上，電機接到L298N上，再將電機接到塑料管上。

搭接溫箱，這套測試設備主要是對土壤的溫度進行測量統計和控制，而溫箱中的溫濕度測量數值則作為輔助。通過YL69土壤溫濕度傳感器感知土壤瞬時的溫濕度，利用DHT11溫濕度傳感器測得溫箱中空氣的溫濕度。同時將測量數據通過Arduino Uno接收，及時反饋到Arduino IDE。Arduino IDE進行數據統計，將統計過的數據通過ESP8266 WIFI模塊再反饋到互聯網數據平臺。互聯網數據平臺每鎘20分鐘，互聯網數據平臺就會更新一組土壤中溫濕度的數據。若顯示的土壤溫濕度未在正常設定范圍之內，那么灌溉指令就會傳達給Arduino Uno，指令導入使得電機被驅動起來，進行抽水灌溉盆栽。若測得溫濕度在設定范圍內，則土壤溫濕度傳感器繼續回傳數據并且檢測整個溫箱系統。

3 系統設計優化

在系統結構搭接里，有兩部分的優化內容：第一，檢測溫度時，若超出正常指數，需將反饋的未達標溫濕度數據統計控制在兩小時內（六個周期），即反饋的溫度數據不正常指數連續六次方可進行灌溉。優化設計不僅節約水源，還可保護植物。第二，灌溉指令雖由電腦直接輸出，但用戶依然具有監管權力。用戶可直接撤銷電腦給出的灌溉指令，如通過互聯網平臺發出“turn off”的指令，使得系統在接收后立即停止工作，直至系統發出“turn on”的指令，系統才能再次被啟動。

4 結論

通過大量測試表明，該智能檢測系統，運行穩定，有效起到自動灌溉盆栽作用。該系統不僅可以采集數據，還能夠自動為植物灌溉。系統所使用的WIFI模塊，能夠及時將數據反饋到互聯網上，保證使用者在出行時，依然可以實現隨時監控的目的。很適合經常出差又喜好養殖盆栽的人群，具有強大的開發價值和市場潛力。

參考文獻：

[1]崔慶權，尹遜和.一種簡易盆栽澆花控制系統的設計與實現[J].電子測量技術，2015（02）.

[2]崔陽，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統[J].電子技術應用，2014（04）.

[3]韓丹翱，王菲.DHT11數字式溫濕度傳感器的應用性研究[J].電子設計工程 ，2013（13）.

[4]胡永翔，謝浩，冀連杰.基于光電傳感技術的太陽能最大效率跟隨方案設計[J].湘潮（下半月）， 2011（02）.