基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器

王正陽 陳婷 李雪竹

【摘 要】大多植物都必需每天按時按量給它們澆水，若忘記澆水，它們就可能會因缺水而枯死。為了滿足需求，采用OBLOQ物聯網模塊接收數據并發送給microbit芯片，根據濕度數據利用算法控制舵機澆水可以解決在這方面出現的問題。利用濕度采集傳感器對土壤數據進行采集，microbit芯片控制和調度舵機設備，目的是實現新型家居生活中的自動化控制，解決其存在的問題。該項目通過大量實驗，完成了microbit芯片的總控作用和節點的采集及調度工作，實現了從采集到傳輸、處理，再到調度的自動化流程，并在實驗中得到了性能的改進。

【關鍵詞】物聯網;傳感器;microbit

現在正處于高速發展的新時代，據調查，93%的居民都會選擇在家中養盆栽，在快節奏的生活中，經常出現忘記澆水的情況，同時手動澆水沒有定量，過量同樣有礙于生長。大部分植物都需要每天按時給它們澆水，如果巧遇較長時間忘記滋潤植物，那植物或許就因缺水而枯萎。本文提出基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器是通過濕度傳感器對土壤環境中所含水分狀況進行監測， 及時實現自動化供給。

1.系統的架構與功能

1.1基本核心體系架構

感官層：收集土壤濕度并將數據給分析層。

數據分析層：對感官層的數據進行分析并做出處理。

應用實現層：接收到數據分析層的命令并做出相應的動作。

終端層：通過WIFI網絡接入，進行遠程查看等操作。

基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器體系結構圖如圖1。

1.2主要實現的功能

整體結構功能分為三塊：

（1）測濕結構：實現測出土壤濕度并上傳數據給主控板。

（2）灌溉結構：由濕度數據通過microbit內部代碼控制舵機轉向，從而使軟管轉過指定角度對向植物，實現自動澆水功能。

（3）物聯網結構：由microbit芯片的OBLOQ模塊連接WIFI后上傳濕度數據到Mqtt Buddy APP，由手機實時隨地查看數據。

2.系統實現原理

基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器是以物聯網DFRobot為基礎平臺， 由智能主板（microbit芯片）、濕度傳感器、OBLOQ模塊、Mqtt Buddy APP和舵機組成的控制系統。設備采用電容式濕度傳感器，電容式濕度傳感器是用大分子聚合物材質的濕敏器件作為敏感電子元件。接通電源模塊后，濕度傳感器對土壤中的水分含量進行分析，上傳土壤濕度數據給microbit芯片，之后由microbit芯片運行MakeCode軟件中已編好的代碼控制舵機的定向轉動，使軟管對向盆栽，蓄水池內部水流出，從而實現自動澆水，microbit芯片通過基于ESP8266設計的串口轉WIFI物聯網OBLOQ模塊在連入WIFI的環境下上傳數據到終端，隨時查看數據，實現物聯網功能。系統實現結構圖如圖2。

3.硬件設計

3.1主控板microbit芯片

microbit芯片不僅是整個系統硬件設計的中心，也是軟件和網絡結構的中心，承擔著數據接收、分析、發送與處理的功能，上聯網關和終端， 下與各節點連接。主控板接收濕度傳感器發來的濕度數據時，則會根據算法分析數據從而調度控制舵機;并且接收濕度數據時，則會將數據轉發到OBLOQ模塊（物聯網模塊），通過該模塊打包數據發送給終端。microbit芯片的數據傳送主要分為兩種情況：一是數據傳送到主控板;二是數據從主控板發出。

3.2其他硬件

其他硬件包括MicroMate、濕度傳感器和舵機。MicroMate是一款為microbit芯片所設計的微型多功能I/O傳感器拓展板，拓展板配置了3V-5V的電壓轉換功能，能驅動小于5V 2A的元件;濕度傳感器的表面是高分子濕敏元件薄膜，用于采集土壤濕度數據;舵機采用SG90微型舵機，接收到轉向指令后根據指令定向轉動。并且各節點電路具有統一性，濕度傳感器支持3.3-5.5V寬電壓工作環境;舵機的工作電壓為4.8V;而microbit芯片支持3-5V電壓。

4.軟件設計

4.1程序

需要用到MakeCode軟件，而microbit芯片全然支持MakeCode軟件。程序代碼采用簡單、易學的Python語言進行編寫，使得程序可讀性極高、擴展性強、運行效率提升，提高了系統的相應效率，縮短時間。

編程步驟分為：

（1）數學建模。根據植物的需水量和濕度閾值來設定每次澆水的標準值。

（2）確定數據結構和算法。分為三個類：接收傳感器數據、根據傳來的數據與設定好的標準值比較后在低于閾值時調用舵機完成澆水、初始化物聯網模塊并打包濕度數據發送給終端設備。

（3）編寫代碼解決問題。將代碼燒入microbit芯片。

4.2物聯網模塊

OBLOQ是一款基于ESP8266設計的串口轉WIFI物聯網模塊，用以接調控已有的物聯網數據，適用于3V～5V的Microbit芯片。Microbit芯片讀取濕度傳感器上傳的數據交給物聯網模塊，OBLOQ模塊利用OBLOQ串口轉WIFI物聯網模塊搭配DFRobot的物聯網平臺發送濕度數據到終端設備。

4.3 Mqtt Buddy APP

這款軟件基于消息隊列遙測傳輸協議即MQTT，允許用戶控制IOT設備、管理傳感器。使用DFRobot的公共物聯網平臺，設置里NAME：ADDRESS填寫iot.dfrobot.com.cn：1883，之后添加濕度傳感器按鈕即可。

5.結束語

針對傳統植物澆水存在的問題進行了分析，并對問題存在根源提出了基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器的設計，該項目的設計初衷是為解決澆水用量規格化和不能按時澆水的情況，此次舍此綜合考慮了生活的現狀和實驗器材的限制，融合了萬物互聯的思想，將智能化帶入生活的細節。

作者簡介：王正陽（1999-），男，安徽人，本科在校生。

基金項目：2018年安徽省大學生創新創業項目：基于物聯網的家用智能盆栽澆灌器（編號201810379108）。