基于物聯網的花卉養護遠程監控系統設計*

韓夢迪，劉 明，王 帥，汪 旋，宋 杰，范澳東

(南通大學 電氣工程學院，江蘇 南通 226019)

0 引言

隨著時代的發展，城市化腳步加快，城市人口密度越來越大，高樓大廈遍地開花，綠色美景越來越少，人們越來越渴望擁有一個自然和諧、舒適安寧的綠色環境，而家庭花卉養植使得這一切成為可能。室內種植花草不僅對室內的空氣有一定的凈化作用，而且對身心健康有極大的好處，使生活更加愉悅美好。然而目前家庭花卉的養護仍然以人工為主，養護者往往缺乏技術和經驗，無法對花卉養護的環境參數進行實時的分析和處理，無法精準地控制花卉的灌溉和施肥，難以保證花卉的養護質量，甚至由于養護不當，導致花草凋謝枯死，反而污染室內空氣，不利于健康。因此，基于物聯網技術[1-2]，研發設計一套適合“懶人”養花的智能花卉養護系統[3-4]對現階段的家庭花卉種植具有重要的實用價值。

目前國內外已有大量能夠實現植物智能養護、培育的設備，比如McCready通過對土壤濕度和蒸騰量[5]等的提取進行智能灌溉；Click和Grow設計了一款具備自動澆水和施肥功能的智能花盆[6]；英國的皮特森設計了一款智能花盆，該花盆能通過發出不同聲音來表達自身的需求[7]；日本水內郁夫研制了一款機器人花盆，該花盆可以根據需要進行移動來滿足花卉的溫度和光照需求[8]；國內合鳴科技、小米公司等也有相關智能花盆的研究，并且產品已在京東、淘寶熱銷[8-9]。為了實現花卉的智能管理，提高花卉的養護質量，本文通過Arduino硬件開發平臺、機智云物聯網云端平臺及相關通信協議、移動手機終端、相關控制模塊、相關傳感器和智能花房監控所需功能研究分析，設計了一套能滿足實際需求的家庭式花房智能監控系統。

1 系統總體設計

1.1 系統總體方案設計

系統由智能花架裝置、供電裝置、智能控制器、物聯網通信設備、PC或智能移動設備組成。使用Arduino硬件開發平臺為主微控制器單元(MUC)，通過環境溫度檢測電路、土壤濕度檢測電路、光照強度檢測電路和水位檢測電路將數據上傳給ESP8266模塊，再由ESP8266模塊與機智云物聯網平臺進行通信，在智能手機終端可隨時查看花房環境信息。通過智能手機APP不僅可以看到實時環境數據，還可以手動操控澆水以及選擇澆水的模式。

1.2 花房外觀設計

為了方便用戶澆灌花卉，需設計一個花房來放置花卉，這里將花架設計成三層，每一層放置同種類的花卉以方便澆灌。花房最下方為水箱，一方面能夠蓄水供澆灌使用，另一方面也可以防止過度灌溉或其他原因導致水灑出而淋濕地面，具有一定保護作用。圖1所示為花房外觀圖。

圖1 花房外觀圖

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件結構總體框圖

系統硬件結構框圖如圖2所示。本系統硬件主要包括Arduino硬件開發平臺、ESP8266 WiFi模塊、PC或移動智能手機、用于采集各類環境數據的傳感器、水泵、指示燈等。通過Arduino硬件開發平臺將采集的各類數據上傳給ESP8266模塊，再由ESP8266模塊與機智云物聯網平臺進行通信，在智能手機終端可隨時查看花房環境信息。

圖2 系統結構框圖

2.2 電源模塊

光-電直接轉換方式是利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光-電轉換的基本裝置就是太陽能電池。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流。當許多個電池串聯或并聯起來就可以成為有比較大的輸出功率的太陽能電池方陣。太陽能電池是一種大有前途的新型電源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優點。太陽能電池壽命長，只要太陽存在，太陽能電池就可以一次投資而長期使用;與火力發電相比，太陽能電池不會引起環境污染。

2.3 ESP8266模塊

本文采用GoKit-SoC-ESP8266作為一個入網模塊，它是機智云推出的樂鑫ESP8266升級版配套組件，其意義在于幫助傳統硬件如Arduino、STM32甚至STC51等單片機快速接入互聯網。完成入網之后，則可以在自己選擇的物聯網平臺、智能手機終端、Arduino之間實現互聯。

2.4 溫濕度傳感器模塊

DHT11數字溫濕度傳感器是市面上最常見的一款溫濕度傳感器，可以直接輸出數字信號。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與卓越的長期穩定性，本文運用該模塊測量環境溫濕度。

2.5 土壤濕度傳感器模塊

為了測量土壤中的濕度，選用YL-69土壤濕度傳感器。YL-69土壤濕度傳感器模塊一共有四個接口，其中D0為數字量輸出，A0為模擬量輸出。本文采用從A0端輸出，它通過ADC數模轉換可以輸出更加準確的土壤濕度值。

2.6 光照強度傳感器模塊

為了測量環境中的光照強度，選用GY-30光照強度傳感器。GY-30可測量大多數光源的光強如陽光、白熾燈等，而對紅外線的影響很小。

2.7 水位傳感器模塊

本文根據水箱高度的實際情況，自制一種分段式水位傳感器，如圖3所示，傳感器電源端VCC外接上拉電阻3.3 V，保證電路穩定，GND接地，S端接Arduino的I/O口，讀取對應電壓值。

圖3 水位傳感器模塊電路圖

2.8 水泵模塊

本系統選用12 V小水泵，流量為1 L/min，吸程為3 m。此水泵優點很多，例如有“自吸”功能，即抽水前不用加引水，還使用無刷電機驅動，體積超小，安全，可長時間空轉，擁有完善的自我保護自動停機功能。

3 系統軟件設計

3.1 空氣溫度檢測子系統

空氣溫度檢測子系統用到的傳感器為DHT11，通過程序將傳感器采集到的數據上傳給機智云物聯網平臺。Arduino通過程序設定判斷數據是否超過上限值，以此為據使蜂鳴器發聲報警，提醒用戶此時的生長環境并不是花卉生長的最佳環境，可以采取有效的保護花草植物的措施，例如選擇噴灌模式手動澆水，以防花卉受到傷害。圖4為溫度檢測流程圖。

圖4 溫度檢測流程圖

3.2 土壤濕度檢測子系統

土壤濕度檢測子系統通過YL-69土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度，通過程序將數據上傳至機智云平臺，并判斷土壤濕度是否在植物生長最佳的范圍內，如果采集的數據不在設定的安全值范圍內則使蜂鳴器發聲報警，提醒用戶此時的生長環境并不是花卉生長的最佳環境，可以采取有效的保護花卉的具體手段，例如手動澆水或者采用系統自行澆水，當達到土壤濕度最大設定值時自動停止灌溉，防止花卉受到傷害。

3.3 光照強度檢測子系統

光照強度檢測子系統通過GY-30光照強度傳感器來檢測光照強度，通過程序將數據上傳至機智云平臺，并判斷光照強度是否在植物生長最佳的范圍內，如果采集的數據不在設定的安全值范圍內，則使蜂鳴器發聲報警，以提醒用戶，為花卉補光提供數據依據。

3.4 水箱水位檢測子系統

水箱水位檢測子系統通過自制傳感器來檢測水位高度，通過程序將數據上傳給機智云物聯網平臺，判斷水箱水位是否在合適范圍，是否需要加水。

4 系統實例分析

4.1 移動監控界面

本家庭式花房智能監控系統設計通過機智云物聯網平臺實現在移動終端監控花房環境的功能，可手動控制水泵澆水，實時查看花房溫度、土壤濕度、光照強度、水箱水位等數據，并根據設置參數來自動澆水，省時省事省力。手機監控界面如圖5所示。

圖5 手機監控界面

4.2 自動澆水測試

為測試自動澆水功能，可以設定一個土壤濕度上限值與下限值。若土壤濕度低于下限值，則自動澆水至土壤濕度達到上限值，以保持花草最佳生長狀態。依照設定，當土壤濕度低于下限值時將打開澆灌水泵澆水，硬件RGB燈顯示紅燈。這里將傳感器放在空氣中，則土壤濕度為0，將自動澆水，硬件RGB燈顯示紅色，如圖6所示。

圖6 自動澆水測試

5 結論

本系統以機智云物聯網為主要平臺，通過物聯網相關技術的使用，實現了家庭式花房的智能監控。本系統的設計運用使得花卉能夠得到最佳的生長環境，而花卉的養護者也能夠省時、省力、省心，解決了花卉智能養護問題，滿足了人們綠色健康的生活理念。