基于STC單片機的名貴花卉全自動養護智能裝置

劉定策 ，伍家鴻 ，王 浩 ，楊 洋

（1.河南理工大學 電氣工程與自動化學院，焦作 454100；2.杭州電子科技大學 網絡空間安全學院，杭州310018）

隨著我國人民生活水平的日益提高?，F代人想擁有綠色環保的家庭環境和生活質量，同時人們在滿足物質需求的基礎上，也開始注重精神需求。屋頂花園成為了新時代潮流，名貴花卉市場進入快速發展的時期[1]。目前名貴花卉的養護，需要投入大量的人力、物力、財力，現行的屋頂名貴花卉種植雖然十分普遍，但由于技術人員缺乏，往往會造成出力不討好的局面[2]。故在此設計了能夠全自動養護名貴花卉的智能裝置，該裝置使花卉土壤濕度保持在一個合適的水平，并可根據用戶的需要提取數據庫中傳感器的濕度數值。其設計目的在于實現名貴花卉養護的自動化、智能化，提高養護效率，解放勞動力。同時為促進作物增產，降低生產成本，提高經濟效益起到積極的作用。

1 智能裝置總體設計方案

名貴花卉全自動養護智能裝置主要由溫濕度檢測單元、系統主控單元、電閥門控制單元、nRF24L01遠程通信單元、穩壓供電單元等模塊構成。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the system

土壤濕度檢測依據土壤濕度傳感器，通過傳感器對土壤中的溫濕度進行采集，由單片機進行數據對比，進而控制電閥門1開合，實現自動灌溉。同時，設有防過水裝置，將檢測到的地表濕度與預設值進行對比，控制電閥門2的開合，實現過水吸水。

空氣溫濕度檢測通過空氣溫濕度傳感器檢測數據，將數據反饋至單片機，單片機控制超聲波霧化裝置的開合，達到降溫增濕的效果。

nRF24L01遠程通信單元可根據需要，上位機發送不同花卉不同季節以及不同生長周期對水的需求量表至單片機，從而實現對花卉不同生長周期或不同品種花卉種植時各部分預設值的改變，實現裝置的智能化。該量表數據通過實地調研考察，以及大數據比對得出，具有很高的精確性，可保證花卉的健康成長。用戶也可根據需要通過nRF24L01對整個過程進行遠程控制。

2 硬件系統設計

2.1 主控單片機選型

考慮到系統的穩定性與精確性，結合實際需求，選取STC12C5A60S2系列單片機作為主控單元。該系列單片機與傳統51單片機兼容，內部RAM高達1280 B，運行速度提高了8～12倍，具有高速、低功耗、抗干擾等特點[3]。

2.2 檢測與控制電路設計

在檢測方面，考慮到電路的方便簡潔以及檢測的精準度，根據系統設計要求的指標并考慮成本問題，選用了3個DHT11傳感器，分別用做土壤濕度檢測、地表濕度檢測、空氣溫濕度檢測。DHT11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、長期的穩定性[4]。

系統中DHT11溫濕度傳感器采用5 V供電，共有4個引腳：腳1接電源，腳2接單片機（將采集到的數據傳送給單片機），腳3懸空，腳4接地。3個傳感器的腳2分別接于單片機P1.2，P1.3，P1.4，以實現土壤、地表濕度及空氣溫濕度數據的采集。3個檢測電路結構相同，具體如圖2所示。

圖2 檢測模塊電路Fig.2 Detection module circuit

控制部分主要是通過單片機控制繼電器開合，（對應于水閥和霧化器的啟停），實現缺水灌溉、過水吸水以及超聲波霧化降溫增濕。3個部分彼此獨立，結構一致[5]?？刂颇K電路如圖3所示。

圖3 控制模塊電路Fig.3 Control module circuit

在此使用1個PNP型的三極管：e極接VCC；c極接繼電器的腳3，用于驅動繼電器開合；b極通過1 個 200 Ω 電阻，接到單片機的 P1.X（在此指 P1.5，P1.6 或 P1.7）口。 剛開始時，單片機的 P1.X 口是高電平，繼電器線圈不通電，繼電器不工作。當單片機的P1.X口電位拉低時，三極管導通，使繼電器的線圈通電，繼電器工作（相當于水閥和超聲波霧化加濕器工作），從而實現缺水灌溉、過水吸水和超聲波霧化降溫增濕功能。

2.3 無線通信電路設計

該系統采用nRF24L01通信。nRF24L01是一款無線通信芯片，工作在214～215GHz ISM頻段，工作在1.9～3.6 V，多達 125個頻段可供選擇。 無線通訊速度可達2 Mb/s，并且有自動應答和自動再發射功能[6]。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發射時，工作電流只有9 mA，接收時工作電流只有12～13 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節能設計更方便[7]。nRF24L01與單片機的連接如圖4所示。

圖4 無線通信電路Fig.4 Wireless communication circuit

2.4 穩壓電路的設計

該裝置采用自行設計的自尋光太陽能光伏發電板發出的5 V直流電通過穩壓、調壓電路供電[8]。

統計上述各模塊對電壓的需求，共需要3.3，5，12 V三種穩定輸出電壓值。該裝置采用AMS1117降壓實現5～3.3 V的穩定輸出，LT1930A升壓實現5～12 V的穩定輸出，分別為裝置各部分供電。穩壓、調壓電路的設計如圖5所示。

3 軟件系統設計

所設計的系統軟件主要包括主程序、土壤濕度檢測與灌溉子程序、空氣溫濕度檢測與超聲波霧化加濕子程序、通信收發數據子程序等。主程序流程如圖6所示。

圖5 穩壓、調壓電路Fig.5 Voltage regulating and voltage regulating circuit

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

主程序對裝置各部分進行初始化，將采集到的數據進行處理保存，判斷是否超限，超限則執行發送、控制子程序，然后循環，未超限則直接循環。

當數據超限時，觸發通信發送數據子程序，發送數據，通過nRF24L01發送到上位機。發送數據子程序流程如圖7所示。

上位機可以向系統發送數據量表或者控制指令，觸發中斷程序，接收數據。接收數據中斷程序流程如圖8所示。

4 試驗結果

在花盆內部署土壤濕度傳感器以構建模擬試驗平臺，土壤材料選取普通的適合花卉生長的泥土，花卉采用人們較為熟悉的君子蘭，采樣間隔設為6 h。在系統工作一段時間后，用戶便可以提取寄存器中存儲的濕度數據。

圖7 發送數據子程序流程Fig.7 Sending data subprogram flow chart

該系統試驗時長10 d，檢測模式的君子蘭土壤濕度值見表1。測試結果表明，檢測模式在土壤質量濕度＜10%的24 h后澆水，并記錄下系統工作10 d的土壤濕度值；對花卉適時自動澆水，實現了自主學習的功能，達到了智能澆水的目的。

表1 君子蘭土壤濕度值Tab.1 Soil moisture value of kaffir lily

試驗證明，所設計的名貴花卉全自動智能養護裝置可以很好地維護花卉的生長，并能夠促進作物增產，降低生產成本，且操作方便，運行無障礙。

5 結語

針對目前名貴花卉養護效率低，依賴人工性強，費用高的現狀，設計了基于單片機的名貴花卉全自動養護智能裝置。該裝置具有自動灌溉、自動降溫增濕、遠程監控等功能，可以實現控制名貴花卉生長土壤溫濕度、空氣溫濕度，并充分利用太陽能等清潔能源。監護者可以實時地檢測植物的生長狀況，進行遠程操作。該裝置在小型區域名貴花卉養護方面，如屋頂花園，有很好的使用推廣價值。