基于STM32與物聯網IP技術的智能生態陽臺場景的設計與實現

楊巍 劉倩 邱博

摘要：基于STM32單片機和云平臺，結合物聯網lP技術，設計了一種智能生態陽臺的場景。該場景可以通過手機APP端選擇陽臺所栽培植物的種類，并通過該場景中的環境監測與控制系統對陽臺的空氣溫濕度、土壤濕度、環境光照度、PM2.5等環境參數進行監測，當環境參數與所選植物的最適宜的生長環境差距較大時，可以通過場景內的控制系統完成對各項環境參數的控制，使得植物能夠始終保持在其最適宜的生長環境中。

關鍵詞：STM32；物聯網；1P技術；云平臺；智能生態陽臺

DOI：

10.3969/j.issn.1005-5517.2018.8.013

O 引言

如今，物聯網技術的發展帶來的智能化產品，已經慢慢的滲透進人們的生活的方方面面。而隨著人們對智能家居的需求越來越高，人們會在生活中不斷的發現自己新的需求。

而隨著城市的生活節奏逐漸加快，越來越多的城市居民希望綠色生態能夠進入自己的家中，人們開始更多的從生態角度考慮自己的生活方式，開始在陽臺上種植一些自己喜歡的花草等植物，然而對于工作壓力較大、經常加班的上班一族，很容易忽略自己種植的作物的生長狀態，導致其得不到細心照料，難以正常生長甚至枯萎死亡。特別是對于那些上班出差一族來說，若是自己長時間在外出差，家中的花草更是得不到照料，難以正常生長。而本設計中提出的智能生態陽臺這一概念，能夠很好的解決以上問題，為城市加班和出差族們提供了在家庭中實現綠色生態的可能。

1 智能生態陽臺的功能設計

1.1 智能生態陽臺的設計框圖

該系統主要分為硬件和軟件兩大部分的設計。硬件部分的設計包括，STM32外圍電路以及相關的傳感器、控制設備、WiFi模塊與STM32連接電路的設計：軟件部分的設計包括，STM32的軟件開發以及Android手機App的代碼編寫。系統的設計框圖如圖1所示。

在該場景的設計中，采用自行設計的一款土壤濕度傳感器，用來監測陽臺所栽培的家居盆栽植物的土壤濕度狀態，并配以灌溉系統，從而達到自動灌溉的目的：采用光照強度傳感器，監測環境光的信息，并配以照明和窗簾控制系統，從而能夠智能調節陽臺光照強度在一個舒適的范圍內：采用空氣溫濕度傳感器，對陽臺上的空氣溫濕度進行實時監測：采用PM2.5傳感器，用來對每天的空氣質量進行監測：并配以開關窗的系統，對窗戶的開關進行控制，從而給陽臺一個最適宜的環境。同時在設計中采用WiFi通信模塊，實現了對陽臺上的環境和所有的控制設備的遠程監測與操控。

1.2 系統的硬件設計

設計中使用ST公司的STM32F103ZET6為主控芯片，并設計其最小系統電路，配合WiFi模塊、土壤濕度傳感器、人體熱釋電紅外傳感器、光照強度傳感器、PM2.5等多種傳感器，結合水泵、步進電機和LED補光燈等控制部件共同完成硬件部分的整體設計。該設計的整體電路如圖2所示。

電路原理圖中所涉及到的主要電路模塊詳細功能介紹如下。

（1）土壤濕度傳感器。經過搜索發現對于植物土壤濕度的檢測，目前市面上大多數土壤濕度傳感器模塊不能準確的檢測出土壤濕度信息，因此，為了更精確的采集土壤濕度信息，該設計中自行設計了一款土壤濕度傳感器。其電路原理圖如圖3所示。

在原理圖中可以看出，該設計使用STM32F03ZET6的AD轉換功能模塊，采用ADC3的通道12，同時通過DMA2的通道5采集‘out端電壓。對采集到的電信號進行實測和分析，可以得到傳感器采集電壓信號數據和土壤濕度值對應關系圖表，如下圖4所示。對比圖表，即可得出當前的土壤濕度值。

（2） ESP8266 WiFi模塊。該模塊的特點是成本低、使用簡便、功能強大。本設計中采用STM32的串口通信，并使用ESP8266串口轉WiFi模塊實現遠程網絡通信，將通過網絡采集到的數據，經過串行口發送給STM32單片機，進行進一步的處理。同時通過WiFi模塊將智能生態陽臺系統接入到機智云的云端服務器，為系統提供了遠程控制的解決方案。

（3）空氣質量傳感器（PM2.5傳感器）。空氣質量模塊我們選擇了光學灰塵傳感器（GP2Y1014AUOF）灰塵傳感器，檢測空氣質量來提示用戶，當空氣PM2.5高時還可以通過STM32控制器控制減速步進電機來關閉窗簾，為用戶提供更加安全的居住環境。

（4）光照強度傳感器BH1 750FVI。BH1750FVI是一種使用12C總接口的數字型光強度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化（0-65535 Ix）。在設計中用于檢測環境光照亮度，并依據光照亮度調節窗簾及作為照明燈自動控制的條件。

（5）熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。考慮到晚上可能會有人進入陽臺，該系統中使用熱釋電人體紅外傳感器來感應有無人出現。根據當前光照強度和人體感應模塊的數據進行處理從而自動控制照明燈的亮滅。

（6）系統的時間。本設計中提供了兩種時間模式： “本地時間模式”和“網絡時間模式”。 “本地時間模式”使用了實時時鐘DS1302，DS1302是SPI接口的實時時鐘芯片，具有年、月、日、星期、時、分、秒七位計時功能，可以保證設備斷電后時間信息的精確性：

“網絡模式”則通過從云服務器上的NTP協議獲取UTC時間，該模式能夠省去手動設置日期時間的繁瑣，也能保證時鐘的同步性和精確性。

通過以上模塊的協作，我們將各模塊收集的數據上傳至云端服務器，同時與手機APP端進行通信，為用戶提供遠程可管理的綠色環保多功能化的陽臺場所，為用戶節約時間，讓生活更高效與便捷，提高人們的生活質量。智能生態陽臺的硬件實物圖如圖5所示。

2.3 智能生態陽臺的應用軟件設計

該系統以Android操作系統為平臺開發了與系統硬件設備對應的，名為“智能生態陽臺”的手機APP，以實現遠程監控陽臺信息的功能。APP界面上有“水泵模式”、 “照明燈模式”以及“窗簾模式”的“自動”與“手動”的選擇，還有“植物種類”、 “當前月份信息”，用戶可以通過APP設置窗簾的開合度、植物的喜好濕度以及光照強度，同時也可以通過APP實時了解到當前陽臺中空氣質量、溫度、濕度以及土壤濕度等信息。這樣一來，即使用戶不在家也能了解自家陽臺情況，使用戶生活更高效。APP操作界面如下圖6（a）和圖6（b）所示。

3 設計中的創新點

本設計在普通陽臺的基礎上加入了許多新穎的創新和設計理念：

（1）植物適宜的土壤濕度和光照強度會根據植物的種類和當前的月份結合該植物的生長習性通過我們設計的養護系統自動調節，用戶只需要種植時選擇對應的植物種類即可，而對于APP上沒有的植物類型用戶還可以將植物類型設置為“自定義”，并自定義設置相應數據。

（2）照明燈光可以根據當前的環境光照強度和有沒有人在陽臺，自動控制照明燈的開啟與關閉。

（3）窗簾可以根據當前的空氣質量和光照強度自動打開與關閉，從而為用戶和植物提供更舒適地環境。

4 結論

在現今物聯網浪潮鋪面而來的時代，擁有—座自己的自動化、智能化的家居環境是當代居家客們的普遍追求，因此，本設計從這一點出發，在自家的陽臺上打造一個低成本、以實現的“智能生態陽臺”場景，把陽臺變得智能化，激起人們對生活的熱愛。將真正的物聯網技術落地，應用在生活中最常用的場景。本文中提出的智能生態陽臺的場景，希望能為物聯網時代的的智能家居浪潮，進行部分場景實現的探索并提供一定的參考價值。

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