基于STM32的智能花卉養護系統設計

崔慶華 　王金輝　陳祖棟　宋瑞燕　蘇英妮　馬萬藝

摘 要 隨著人們生活品質的提高，傳統的花卉養護已經不適應時代的要求。在傳統的基礎上，以STM32單片機為主控，并集成了專家系統和物聯網技術，實現了智能花卉養護系統。智能花卉養護系統具有可進行植物的生長預測、植物生產預估、植物生長風險預警的功能。有效地解決了傳統花卉行業人工控制的繁雜低效、養護技術不成熟、人力物力耗費巨大等問題。

關鍵詞 集成模塊化;專家系統;物聯網技術;智能養護

中圖分類號： S68;TP316? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.036

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提升，人們對于生活品質的要求也有了很大的提高，花卉綠化對于建筑環境以及生活品質的提升具有重要的意義?；ɑ莛B殖業得到了空前的發展，但是花卉行業也存在著許多養護問題，花卉養殖基地存在花卉種植數量太多而無法實現實時管護，花卉種類繁多導致養護工作量極大，對花卉養護的專業知識的缺乏和管理時間的缺少，導致花卉品質下降或死亡等問題，嚴重阻礙了花卉業的發展。市場上隨之出現一批為養護花卉設計的土壤參數檢測傳感器，但對于養護不同性質的花卉智能化系統的設計與實現還不夠成熟。不同品種的植物，不同的季節、不同的溫度、不同的時間對水分、養分等參數的需求都不同。提高花卉養殖的智能化水平勢在必行。

1 系統整體設計

本系統由硬件和軟件兩部分組成，系統組成如圖1所示。硬件部分是以STM32為主控芯片、以Zigbee無線信號傳輸模塊為核心，以傳感器感應環境，并以水泵和電機作為輔助作為執行模塊對指令進行響應。軟件部分由數據傳輸、數據處理和客戶端三部分組成，其中數據傳輸部分完成環境數據的采集、處理與傳輸，數據處理是將采集到的數據在專家系統和數學建模模塊處理后并得出相應指令，客戶端是實時顯示植物生長數據和對植物生長趨勢預測。

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊采用的是SHT21溫濕度傳感器，采集當前植物所處環境的溫度和濕度。SHT21配有一個全新設計的芯片、一個經過改進的電容式濕度傳感元件和一個標準的能隙溫度傳感元件，其性能已經大大提升傳感器（SHT1x 和SHT7x）的可靠性水平。經過改進后的SHT21在高濕環境下的性能更穩定，傳感器可以檢測到電池低電量狀態，并且輸出校驗和有助于提高通信的可靠性，性價比更高，并且最終所有設備都將得益于尖端的節能運行模式。土壤養分傳感器檢測植物生長實時養分濃度，采用土壤電導率變送檢測儀進行采集，光照傳感器采集植物生長實時受光照強度數據，采用BH1750光照傳感器進行采集。

2.2 數據傳輸模塊

數據傳輸模塊是由Zigbee和WiFi模塊組成。在現場傳感器采集到實時數據之后，需運用網絡技術將現場監測對數據傳輸到網關設備，以實現現場數據的實時監測和可視化顯示，以及控制指令的下達。傳感器與網關之間利用ZigBee技術進行無線數據傳輸。通過利用ZigBee無線組網，利用ZigBee節點采集傳感數據，實現數據通信功能。數據到達網關設備后，如若需要遠程實時監控終端設備，則需要將數據上傳到云服務器。WiFi傳輸技術實現Zigbee傳感網絡與互聯網相連，將數據上傳到服務器數據庫進行儲存。

2.3 數據處理模塊

數據處理模塊由STM32ZET6單片機構成。單片機最小系統包括了核心芯片、晶振電路和復位電路。各傳感器數據通過Zigbee協調器傳入STM32單片機，再通過WiFi無線網絡將數據傳到服務器，進入數據庫通過大數據整合系統處理，結合花卉現有生長狀況以及專業配套生長資料，智能求解出花卉培養最優解。把求解的結果通過WiFi傳送到STM32，由STM32發出控制指令給執行設施模塊。

2.4 執行設施模塊

板載電控單元驅動水泵，水泵連接四個滴灌設施，根據傳輸來的信號控制水泵進行澆水，停止澆水，施肥等。

2.5 數據顯示模塊

數據顯示模塊將花卉環境的相關數據顯示在OLED屏上，實時顯示其周圍環境溫濕度，土壤濕度，土壤溫度，土壤養分及植物生長狀況的分析等。

3 軟件組成

3.1 軟件介紹

使用IAR軟件，分別將協調器和終端程序燒錄進Zigbee模塊中。使用Keil5軟件，將終端程序燒錄進STM32ZET6中。手機APP的程序通過Android Studio軟件進行開發。通過登錄服務器的密鑰，即可登錄接收實時植物生長狀態數據。

3.2 終端傳感器程序及服務器數據庫設計

首先讀取傳感器采集的數據，將其傳輸到服務器，數據庫內有專家系統及數學建模分析模塊，判斷其是否需要進行指令的處理，得出數據，并生成植物生長預測曲線圖，當需要或者不需指令處理時，都將其數據傳輸給網關，最終作出響應操作。

3.3 數學建模分析預測模塊

當數據傳入到數學建模分析預測模塊時，運用Matlab等相關數學建模分析軟件，由傳感器測出的數據，結合實際情況，建立資源的最優配置模型，以及預測模型。得出植物生長最優化方案，實現植物生長預測、植物生產預估、植物生長風險預警等功能，真正實現智能化花卉養護。

4 總結

在智能化趨勢的今天，智能花卉養護系統利用ZigBee無線組網，傳感器節點采集傳感數據，實現花卉環境的養分、濕度、光照、溫度、二氧化碳濃度等數據監測，并把數據上傳至服務器。配合服務器數據庫中的數據，可以實現對盆栽植物全方面地遠程監測和長時間持續監控，同時將數據反饋給養殖用戶，為各種植物配套上最優化的養護方案。通過互聯網技術，養殖戶還可以任意時刻通過手機終端了解花卉的生長狀況，生長環境的各項參數。提高花卉品質，讓其茁壯成長，為養花小白變成專家。

參考文獻

[1]王子權.一種基于單片機的智能澆花系統設計[J].工業，2016（8）;313～314.

[2]昊平.多路智能家庭實用澆花器設計.價值工程，2014（12）：23～25.

[3]鄭航，李凱.農業自動節水灌溉車的設計與制作.大東方，2016（4）：252.

[4]陸超逸，石杰元，王衍慶.基于STM32和Android的智能花卉護理系統[J].電子技術與軟件工程，2016，第13期.

[5]朱鴻杰，高會議.基于Android平臺的園藝溫室監管系統的設計與實現[J].安徽農學通報，2014，第20卷，第16期.