觀賞性植物智能培育系統

文 上海大學附屬中學 高心遠

一、系統總體組成

智能培育系統通過單片機檢測植物生長環境中的光照、濕度和溫度，當這些參數不利于植物生長時，可自動調節，無需人工干預。

該系統主要由花盆、控制器、監測裝置、水泵、繼電器組、補光燈、加熱器、手動按鈕、OLED液晶顯示器、單片機與云服務器雙向數據無線傳送模塊、軟件控制代碼、手機App遠程控制程序等組成。

圖1為系統示意圖與最終完成的實物圖。上述所有單元全部由一個單片機進行采樣與控制，例如單片機控制繼電器組，實現水泵、加熱器、補光燈的通斷。

圖1 觀賞性植物智能培育系統

二、控制與監測

利用Protel99軟件設計一塊印刷電路板，將單片機、OLED液晶顯示器、手動按鈕等弱電部分全部焊接在該電路板上。單片機為ATMEL公司AT89系列的STC51芯片，采用C語言編程。利用芯片內置的模擬數字轉換器實現對外界溫度、濕度、光照的采樣與轉換。

光照傳感器采用BH1710模塊。為了符合植物的生長周期并防止誤判，采用DS3231時鐘芯片判斷時間，以區別是白天還是黑夜。當白天光照不足時，系統會打開補光燈，夜晚則關閉。

溫度傳感器DS18B20模塊對溫度進行檢測，當低于適宜溫度時，通過陶瓷加熱燈升溫。

圖2 單片機控制系統

濕度傳感器可檢測土壤的濕度，當濕度過低時，控制水泵為植物澆水。

三、在線現場監控與無線遠程監控

對光照、溫度和濕度能自動檢測和智能化調節是本系統的特點，在此基礎上，我還設計了在線現場監控系統和無線遠程監控系統。

在線現場監控采用OLED液晶顯示器與手動按鈕修改門檻值結合的方式。通過單片機的采樣與計算，將光照等實時狀態直觀地顯示在液晶屏上。安裝手動按鈕時需解決按鍵時的抖動問題，可通過軟件編程中合理延時的辦法避免系統誤判動作。

考慮到大規模商業種植的集中管理問題，同時兼顧本方案的現實情況，我又設計了一套無線遠程監控系統。該系統具備在線現場監控的所有功能，用戶通過手機App或電腦就能查看光照、溫度、濕度等實時參數，還能根據植物品種的不同，設置環境參數的最優值或門檻值。

圖3 無線遠程監控系統

開發的App基于Android平臺手機，通過該App可遠程實時監控植物所處的環境，并重新設定不同植物適宜的環境參數。

四、系統整體軟件設計

程序采用C語言，基于Keil編譯環境。主要包含溫度監測與控制、濕度監測與控制、光照監測與控制、液晶顯示、無線通信5個模塊。程序關鍵環節的流程見圖4。

圖4 程序流程圖

其中，中斷針對手動按鈕控制與無線遠程控制兩種方式，以時間先后為準，按照中斷發生的先后次序進行響應。也就是說，全部中斷采用同一個優先級。

五、創新點

1.分析了溫度、濕度、光照這三個對植物生長至關重要的影響因素。

2.利用Protel99軟件設計了印刷電路板，用于安裝單片機、檢測、顯示、無線通信等模塊。采用C語言設計了系統各環節的控制代碼，讓系統能正常運行。

3.觀賞性植物智能培育系統可以自動調節植物生長環境的溫度、濕度和光照，通過App還可以實現遠程無線實時監測，既可以應用于家庭養植，對大規模商業種植也有一定的借鑒意義。