基于物聯網的無土栽培智能綠植陽臺系統

李 娟 李海川 鄭澤豐

（廣東好太太科技集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

0 緒論

當代人們的居住環境與辦公環境大都種植了綠植，用來凈化空氣、吸收二氧化碳以及防輻射等。且在人們忙碌的工作過程中，看到一抹綠色心情也更加愉悅，可緩解日常煩躁、焦慮或不安等負面情緒。

越來越多的人想在自家陽臺或者辦公桌上種上一些綠植，但苦于沒有足夠時間和精力，所以放棄種植綠植，也可能因為自己沒有經驗去養護這些富有活力的綠植，最后種植綠植這件事就以失敗告終。

智能綠植陽臺系統就可以解決該問題，使人們不用花費過多的時間與精力去養護這些綠植，也不需要去學習綠植養護的知識，不需要去請教別人經驗，直接使用智能綠植養護陽臺系統就可以實現。

1 系統整體設計分析

該設計的綠植陽臺智能系統構成涉及綠植陽臺控制系統、阿里IoT云平臺、好太太智聯App。技術方案如圖1所示。

圖1 綠植陽臺智能系統

圖2 智能綠植陽臺控制系統設備框圖

圖3 系統硬件框圖

綠植陽臺控制系統由數據采集模塊、智能數據分析模塊、智能控制模塊以及無線通信模塊組成（如圖2所示）。數據采集模塊通過氮磷鉀傳感器、pH傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、水位傳感器實時監測系統狀態并將檢測的數據通過RS485總線傳送到智能數據分析模塊。智能數據分析模塊將接收到的傳感器數據進行加權平滑處理，計算分析當前綠植生存環境數據與當前培育綠植所需的生存環境差異，并向智能控制模塊下發相應指令。智能控制模塊通過RS 485總線接收智能數據分析模塊下發的數據，并執行相應操作（打開/關閉燈光，打開/關閉水泵，打開/關閉溫控器、按比例調配營養液、輸送營養液）。

綠植陽臺控制系統的智能數據分析模塊同步通過Wi-Fi和Internet通信技術連接阿里IoT云平臺，并將數據采集模塊采集到的實時環境數據和設備故障信息推送到阿里IoT云平臺。由阿里IoT平臺將數據推送到用戶的好太太智能App上。

好太太智能App集成專家模塊，向用戶推薦符合相應綠植各生長周期所需的各項生存環境參數，根據用戶所選擇培育的綠植類型，將對應的專家參數推送到阿里IoT云平臺，由阿里IoT云平臺向綠植陽臺控制系統推送對應數據。綠植陽臺控制系統根據接收到的專家參數對系統各項指標進行實時自動調節，以滿足當前培育綠植的各項生存環境參數。

2 系統電控設計分析

2.1 系統硬件設計分析

2.1.1 系統硬件總體設計

該系統硬件組成如圖3所示，由能數據分析模塊、監測模塊、水泵模塊、加熱模塊、補充模塊、Wi-Fi模塊、顯示模塊及電源模塊組成。電源模塊給智能數據分析模塊、監測模塊、水泵模塊、加熱模塊、補充模塊、Wi-Fi模塊以及顯示模塊供電，其中智能數據分析模塊為主要控制核心，監測模塊用于監測水位、氮磷鉀、溫度、光照及pH值，水泵模塊用來進行補水，加熱模塊用來控制溫度，補充模塊用來補充氮磷鉀，Wi-Fi模塊用來傳輸數據給App，并接受APP發送的指令使設備執行相應動作，顯示模塊用于在設備上顯示當前環境狀態，并可在顯示屏上進行設置。

2.1.2 光照監測模塊

該模塊使用HA2003光照傳感器，高精度的光照強度測量體積小巧，IP65防護等級設計傳感器結實、耐腐蝕響應速度快，小于1 s可選用電壓或電流輸出，電流輸出在長纜線傳輸的時候沒有信號衰減，采用先進光電轉換模塊，將光照強度值轉化為電壓值，再經調理電路將此電壓值轉換為0 V～2 V或4 mA～20 mA[1]。

2.1.3 pH值監測模塊

該模塊使用pH傳感器PH-BTA來監測當前pH值。pH傳感器是用來檢測被測物中氫離子濃度并轉換成相應的可用輸出信號給傳感器，通常由化學部分和信號傳輸部分構成，pH傳感器常用來進行溶液、水等物質的工業測量，傳感器內部的pH放大器是一個能通過數據采集器監測的有標準pH電極的電路。傳感器連接線的末端是一個BTA插頭或一個5-Pin DIN插頭來與數據采集器連接[2]。

2.1.4 氮磷鉀監測模塊

該氮磷鉀監測模塊采用RS485型氮磷鉀變送器，該傳感器完全密封，耐腐蝕性強，可直接埋入土中或投入水中進行長期的監測，性能穩定、靈敏度高。該傳感器由電源模塊、信號放大模塊、溫度補償模塊及數據處理模塊組成，其將土壤含水率、電導率、溫度和氮磷鉀6個參數合一。通過該傳感器對當前氮磷鉀濃度進行監測，將當前值與預設值進行比較，當大于預設值時，進行稀釋，小于預設值時，進行補充。

Wi-Fi控制模塊

3 好太太智聯App

3.1 App功能概述

智能種植機接入好太太智聯App，除了內置用戶賬戶注冊登錄功能，需要具備設備管理、傳感器參數顯示、設備狀態顯示、種植菜品選擇和功能控制。智能種植機App功能如圖4所示，其中，設備管理需要具備設備配網綁定（Ap熱點配網和搶占式綁定），設備解綁，在App首頁顯示設備列表等功能。在設備詳情頁中，還需要支持傳感器參數顯示（包括光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、高低水位傳感器）以及傳感器手動檢測功能。設備狀態顯示顯示設備的工作狀態，例如完成自動調整/正在調整，同時還會顯示調整的狀態，（“補水中”“補酸中”（pH）“補氮中”“補磷中”“補鉀中”“水循環中”“照明開啟中”）。在種植機中，還提供20種常見種植綠植的參數組和1組用戶自定義參數，用戶可以選擇種植的類型或手動輸入參數來確定參數自動調整的目標值。在App中，還提供手動照明開關，在綠植需要補光的情況下，可以手動開啟照明開關。

3.2 App數據拓撲圖

智能種植機通過Wi-Fi模組借助路由器使用MQTT協議連接到好太太IoT云平臺，手機App使用Https及MQTT協議連接到好太太IoT云平臺，如圖5所示。

3.3 App主要功能

3.3.1 用戶賬戶注冊及登錄

用戶注冊及登錄界面如圖6所示，用戶賬戶注冊與登錄是好太太智聯IoT平臺內建的賬戶體系，通過App可以完成用戶賬戶的注冊、登錄、找回密碼、退出登錄以及修改用戶頭像、昵稱等功能。用戶賬戶通過與IoT平臺的認證服務進行創建。

3.3.2 設備配網

需求描述：通過好太太智聯App將設備接入網絡并綁定用戶賬戶。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶注冊并登錄App。

后置條件：完成設備配網及綁定，設備在首頁顯示。

其他說明：設備支持AP配網，為搶占式綁定（新綁定關系可以將舊綁定關系解除）。

業務規則有2條。1）設備綁定后，當有多臺相同設備時，在設備名稱后面追加數字序號。2）設備綁定后進入設備列表顯示頁面。

3.3.3 設備解綁

需求描述：用戶解綁設備。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶為設備管理員并且已登陸App。

后置條件：用戶和設備解除綁定。

業務規則有5條。1）只有管理員可以解綁設備。2）用戶設備解綁，彈窗進行二次確認。3）設備成功解綁后Toast提示用戶解綁成功，然后返回首頁。4）設備刪除失敗時，彈窗提醒用戶，并建議用戶重試。5）設備恢復出廠設置時，清除綁定關系。

圖4 功能概述圖

圖5 App數據拓撲圖

3.3.4 設備列表顯示

需求描述：設備在好太太智聯App首頁中進行顯示

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經是設備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯App中可以看到綁定的設備。

業務規則有2條。1）用戶進入首頁時，刷新設備在線狀態。2）設備離線時，依然可以進入設備詳情頁面，但進入后彈窗提醒用戶設備的狀態，引導用戶檢查網絡或重置配網，并可返回首頁，也可進入設備設置頁面進行設備解綁。

3.3.5 傳感器參數顯示

需求描述：用戶可以在設備詳情頁查看設備上報的參數。

行為者：App注冊用戶

前置條件：用戶已經是設備管理員。

其他說明：傳感器參數主要有：光照傳感器、pH值傳感器、氮磷鉀傳感器、溫度傳感器、水位。

業務規則有3條。1）設備上報參數為1次/min，App收到云端推送后同步更新。2）每次進入設備詳情頁時，請求硬件更新參數。無參數時顯示“——”，更新時顯示上次更新的數據，標題顯示更新圖標。獲取到新數據時，直接更新界面，不要出現黑色全屏加載遮罩。3）水位顯示為“低水位”“高水位”“正常水位”，光照時間上報為MIN，需顯示為小時+分鐘格式。

圖6 用戶注冊及登錄界面

3.3.6 設備狀態顯示

需求描述：用戶可以在設備詳情頁查看設備工作的狀態。

行為者：App注冊用戶

前置條件：用戶已經是設備管理員。

業務規則有2條。1）設備正在調整參數，上報狀態為：“調整完成”，“正在調整”。2）當設備狀態調整時，同步顯示正在調整的參數，例如“補水中”，“補酸中”（pH），“補氮中”，“補磷中”，“補鉀中”，“水循環中”，“照明開啟中”。

3.2.7 燈光開關

需求描述：用戶可以在App中打開或關閉燈光。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經是設備管理員或是設備被分享者。

業務規則有2條。1）進入App界面時，更新狀態。2）用戶可以打開或關閉開關，優先響應用戶操作（不顯示加載框），當打開失敗時，彈窗顯示（智能種植機打開燈光失敗，請檢查網絡狀態）。

3.3.8 更多設置

需求描述：用戶點擊更多設置，可以查看設備名稱、型號以及設備DN碼，并可以在此頁面解綁設備。

行為者：App注冊用戶。

前置條件：用戶已經是設備管理員。

后置條件：用戶在好太太智聯App中可以看到綁定的設備。

業務規則：設備名稱可進行修改。

4 結語

該設計的綠植陽臺智能系統通過綠植陽臺控制系統、阿里IoT云平臺以及好太太智聯App實現對綠植的智能養護，解決了人們沒有時間、精力及經驗去養護綠植的問題。通過不同的傳感器實時監測環境參數，并自動進行調節，實現智能綠植養護。并將實時環境狀態上報App，人們可以隨時看到綠植養護情況，可遠程進行看護，便利了人們的生活。