基于STM32智能盆栽遠程補光澆水設計

涂穎，劉葉林，李剛

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著社會生活的進步，人們的生活質量在逐步提高，對居住的環境也有了更高地追求。現下，養盆栽植物被越來越多的人所喜愛，一方面它可以作為生活中一項活動去陶冶情操、修養生性、豐富生活；另一方面，植物的光合作用能吸收空氣中有害氣體凈化室內空氣，讓環境更加清新。但是，在快節奏的日常中，人們總有些忙碌得無暇顧及的時候，而眾所周知，養殖花草成敗的關鍵在于盆栽的澆水量和給與的光照強度是否適時適量，于是，花費時間去用心呵護花草反倒成了人們生活中的一個難題。一邊喜愛種植卻又擔心因為澆水不及時導致花草長勢不好，影響了家庭的裝飾效果和自己的心血。因此，設計一款能夠自動進行補光澆水并且能遠程監控的智能花盆很有實用意義，讓花草時刻都能得到悉心的照顧。

1 系統總體設計

本文設計了一個基于STM32單片機的智能盆栽補光澆水系統，本套裝置的電路采用模塊化設計思想，分為STM32F103C8T6單片機核心電路、溫濕度傳感器DHT11電路、LCD1602液晶顯示電路、繼電器控制電路、GSM短信模塊SIM800A電路、高亮LED燈補光電路、光敏電阻檢測光照強度電路以及電源電路等。系統整體架構圖如圖1所示。

圖1 系統整體架構框圖

2 硬件模塊設計

■2.1 STM32單片機核心電路設計

微處理器是整個設計的核心，本文所選單片機控制芯片為STM32F103C8T6單片機，STM32系列處理器是意法半導體ST公司生產的一種基于ARM 7架構的32位、支持實時仿真和跟蹤的微控制器。使用基于ARM架構的Cortex-M3內核，具有優異的實時性能、杰出的功耗控制、出眾及創新的外設，并且最大程度的集成整合，十分易于開發，可使產品快速將進入市場。

■2.2 繼電器控制電路設計

繼電器是一種電控制器件，當激勵量的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化。它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路）之間的互動關系，實際上一種“自動開關”，即用小電流去控制大電流運作，通常應用于自動化的控制電路中，起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。在本系統中，通過三極管驅動繼電器，當單片機的控制引腳為低電平時，三極管導通，此時繼電器供電閉合，同時指示燈LED亮，與LED燈串聯的電阻為限流作用保護LED燈，與三極管基集相連的電阻也是限流作用，保護三極管。繼電器控制電路的原理圖如圖2所示。

圖2 繼電器控制電路

■2.3 高亮LED燈照明電路設計

比一般LED發光二極管的亮度高近百倍即高亮LED燈，其發光體本身就能發出某一波長的光，從而呈現出某一種顏色，其外殼是無色透明樹脂封裝，它廣泛應用在戶外廣告牌、交通信號燈、標志牌，汽車尾燈等方面，具有壽命長、點亮速度快、高效率（其發光效率可達80%～90%，LED比節能燈還要節能1/4），可靠耐用，維護費用低廉等優點。在本設計中，選擇白色高亮LED燈作為照明燈使用，通過三極管驅動LED燈的亮滅，電阻為限流電阻，保護三極管。當單片機的控制引腳為低電平時，三極管導通，此時，高亮LED燈亮。否則，高亮LED燈不亮。 高亮LED燈照明電路原理圖如圖3所示。

圖3 高亮LED燈照明電路

■2.4 SIM800AGSM模塊電路設計

本系統選擇SIM800A模塊實現對系統的遠程短信信息交互。SIM800A外觀小巧，性能穩定，是一款兩頻GSM/GPRS模塊,為SMT封裝，工作頻率為GSM/GPRS 900/1800MHz，可以低功耗實現語音、SMS和數據信息的傳輸。SIM800A尺寸為24＊24＊3mm，能適用于各種緊湊型產品設計需求。通過該模塊主要實現GSM短信遠程澆水和補光燈控制，場景如下，當用戶發送一條短信：澆水，此時繼電器1打開，同時水泵開，當水泵打開之后時鐘控制定時1分鐘關閉；同樣的，當用戶發送一條短信：補光，此時高亮LED燈亮，倒計時1分鐘后關閉。模塊接口原理圖如圖4所示，實物圖如圖5所示。

圖4 SIM800A模塊接口電路

圖5 SIM800A模塊實物圖

■2.5 溫濕度傳感器DHT11模塊電路設計

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。DHT11采用單總線數據格式實現雙向傳輸，數據包由5個字節組成，一次傳輸為40位高位先出；數據分小數部分和整數部分；最后一個字節為校驗和，由前四個字節相加所得。具體數據分析讀取如圖6所示。

圖6 讀取5字節數據分析

由以上數據就可得到濕度和溫度的值：

humi (濕度)= byte4 .byte3=25.0 (%RH)

temp (溫度 )= byte2 .byte1=81.0 ( ℃ )

jiaoyan(驗)= byte4+ byte3+ byte2+ byte1=106(=humi+temp)(校驗正確)

本設計以該模塊為感應器件，檢測盆栽土壤溫濕度，將檢測到的值送入STM32單片機，再由單片機控制輸出到LCD屏進行狀態顯示。

■2.6 光照檢測模塊電路設計

該傳感器可檢測周圍環境的亮度和強度，靈敏度可通過電位器調節，比較器采用LM393芯片，工作電壓在3.3～5V。輸出形式有A模擬電壓輸出和D數字開關量輸出（0和1），D0口直接與單片機相連，用單片機檢測到電平的高低反映出周圍環境光照強度的改變。當在光線較暗未達到設定閾值或者黑暗環境下時，DO口輸出高電平；反之，D0輸出低電平。模塊接口原理圖如圖7所示。

圖7 光照傳感器接口原理圖

圖8 程序流程圖

3 軟件模塊設計

本系統設計主要采用keil軟件編寫與調試程序，程序語言采取易讀性和移植性高的C語言編寫。系統運行流程圖如圖8所示。首先初始化系統時鐘、IO口以及定時器和外設串口，然后進入GSM串口是否接收到數據的判斷，若是則進行數據處理，否則進入光照是否超過閾值的判斷，當超過時進行光照標志處理，否則直接進行溫度采集，進而是LED以及繼電器的處理，最后通過LCD1602液晶顯示出來，同時進入GSM串口是否接到數據的循環。

4 系統調試與分析

首先在系統上電調試前，大概觀察下焊接的系統還存在問題，例如是否存在比較明顯的斷裂，正負極接反以及相連、虛焊、等問題，然后用萬用表檢測一下，電源正負極之間是否短路等嚴重的電源問題，最終保證系統沒有問題。然后在Keil4軟件中進行程序編譯和調試，直到提示沒有錯誤為止。最后就是硬件整體測試，主要運用萬用表、直流電源和示波器進行整體調試。

5 結束語

本設計主要應用了STM32單片機及其部分相關設備，以解決人們無暇照顧花草的煩憂，再具體應用中，本系統具有方便實用、智能科學、人性化等優點，相信對本系統加以發展和應用，能造福更多人。