基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電視背景“生態(tài)墻”設(shè)計(jì)*

盧方禹 鄧旭 王嘉祺 郭桂龍 焦海寧 周譚熊

(南通大學(xué)杏林學(xué)院,江蘇南通 226200)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的提升,室內(nèi)高科技產(chǎn)品層出不窮,電視儼然已經(jīng)成為每個(gè)家庭不可或缺的一部分。在結(jié)束一天的工作之后,坐在沙發(fā)上看一會兒電視,忘卻一天的疲憊,帶來一種舒適感,但長時(shí)間的看電視會使眼睛感到疲勞,所以電視背景墻是十分重要的。“榆柳蔭后檐,桃李羅堂前”,從古到今,人們都覺得生活在有生機(jī)的環(huán)境中更讓人舒適開心。所以我們設(shè)計(jì)并開發(fā)出一套“基于物聯(lián)網(wǎng)的智能電視背景生態(tài)墻”系統(tǒng),它不僅可以使房間充滿生機(jī),還可以緩解眼部疲勞,而且也不用擔(dān)心背景墻上的植物因沒有時(shí)間照顧而枯萎。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Arduino開發(fā)平臺的單片機(jī)開發(fā)板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電視背景墻各個(gè)參數(shù)的采集和管控。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,可以通過開發(fā)板中的EMW3080模塊,隨時(shí)可以通過手機(jī)APP,進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理。

電視背景墻系統(tǒng)是基于Arduino開發(fā)平臺的單片機(jī)開發(fā)板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),一共有三大模塊,其一是EMW3080模塊,通過連接WIFI將數(shù)據(jù)傳輸給開發(fā)板上在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行處理,這一功能可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管控;其二是傳感器模塊,在電視背景墻周圍布下需要探測該參數(shù)所需的傳感器,通過驅(qū)動板的收集電路傳入Arduino開發(fā)板對應(yīng)的串口中,經(jīng)過開發(fā)板中芯片的數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集;其三是驅(qū)動器模塊,通過水泵、蜂鳴器與LED燈來響應(yīng)芯片處理的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的控制,系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

1.2 電源模塊

該系統(tǒng)的電源為太陽能供電,通過太陽能板的光電轉(zhuǎn)換,把接收到的能量轉(zhuǎn)換成電能。其原理就是當(dāng)太陽光照射到太陽能板上的二極管(即光電二極管)時(shí),二極管會把光能轉(zhuǎn)換為電能,從而產(chǎn)生電流,當(dāng)一塊太陽能板上有多個(gè)二極管時(shí),輸出的功率非常可觀。相對于傳統(tǒng)的電源供電,太陽能供電更加環(huán)保,使用壽命更長。

1.3 溫度模塊

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System framework diagram

本文中溫度模塊是采用了BME280溫度檢測模塊[1],該模塊可以實(shí)現(xiàn)溫度檢測、氣壓檢測以及海拔檢測,在本系統(tǒng)中溫度模塊要實(shí)現(xiàn)的功能僅需要溫度的檢測,在本課題中可以結(jié)合ARDUINO單片機(jī)檢測室內(nèi)的溫度,隨時(shí)檢測室內(nèi)溫度,并將數(shù)據(jù)通過WIFI模塊傳送到物聯(lián)網(wǎng)阿里云模塊,方便用戶隨時(shí)查看溫度是否適合家中植物生存。

1.4 光照強(qiáng)度模塊

光照強(qiáng)度檢測,即對植物周圍的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測,并將所檢測到的數(shù)據(jù)上傳到云端便于用戶查看。在光照強(qiáng)度不足時(shí)提醒用戶且打開led燈用于模擬光照補(bǔ)充植物的光照。

本設(shè)計(jì)可以使用光敏電阻對光照強(qiáng)度進(jìn)行模擬信號采集,并通過ARDUINO mega2560開發(fā)板自帶的ADC將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理芯片中,判斷光照強(qiáng)度是否達(dá)到設(shè)定閾值內(nèi),進(jìn)行下一步處理。

1.5 土壤濕度模塊

為了測量土壤中的濕度,選用YL-69土壤濕度傳感器[2]。YL-69土壤濕度傳感器模塊獲取濕度信息的方式(2種可同時(shí)使用):

(1)從傳感器的D0引腳:土壤濕度大于某個(gè)閾值,則D0輸出0,否則輸出1。(多用于濕度閥值控制開關(guān))。(2)從傳感器的A0引腳:獲取到模擬量,更加精確。土壤濕度越大,獲取的模擬量值越大。(多用于顯示實(shí)時(shí)濕度值)

1.6 WiFi模塊

本論文使用EMW3080實(shí)現(xiàn)WiFi連接,EMW3080使用3.3V供電,內(nèi)置Wi-Fi模塊,集成了Wi-Fi和Cortex-M4F MCU,支持高達(dá)133M的主頻率和256K RAM,擁有強(qiáng)大的浮點(diǎn)運(yùn)算能力,其加密版本可以對用戶的固件進(jìn)行加密,防止被破解,使用20MHz帶寬時(shí)最大傳輸速率達(dá)到72.2Mbps,使用40MHz帶寬時(shí)最大傳輸速率達(dá)到150Mbps,主要用于智能照明、智能家居、工業(yè)自動化、智能安防等領(lǐng)域。其工作環(huán)境溫度:-20°～85°。支持阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺。

1.7 led燈

圖2 自動灌溉圖Fig.2 Automatic Irrigation Map

本次使用的led燈作為補(bǔ)充光照強(qiáng)度的照明設(shè)備,當(dāng)光照強(qiáng)度過低時(shí),開啟led燈來增加光照強(qiáng)度。而達(dá)到設(shè)定值時(shí),led燈自動關(guān)閉,這樣可以最大化的節(jié)約能源,符合本次設(shè)計(jì)的低碳環(huán)保要求。

1.8 水泵模塊

本系統(tǒng)選用12V小水泵,流量為1L/min,吸程為3m。此水泵優(yōu)點(diǎn)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(jī)驅(qū)動,體積超小,安全,可長時(shí)間空轉(zhuǎn),擁有完善的自我保護(hù)自動停機(jī)功能。

2 智能終端的軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境溫度檢測

空氣溫度檢測子系統(tǒng)用到的傳感器為BME280,通過程序?qū)鞲衅鞑杉降臄?shù)據(jù)上傳給阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺,用戶可以隨時(shí)通過手機(jī)APP來觀察花草生長環(huán)境的溫度。Arduino開發(fā)板通過程序設(shè)定判斷所采樣數(shù)據(jù)是否超過上限值,以此為據(jù)使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警,提醒用戶此時(shí)的環(huán)境溫度并不適宜花卉的健康生長,應(yīng)當(dāng)可以采取有效的保護(hù)花草植物措施例如選擇噴灌模式手動澆水,消除不利于花草生長的因素,以防花卉受到傷害。

2.2 溫濕度模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

土壤濕度檢測子系統(tǒng)通過YL-69土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度,通過程序?qū)?shù)據(jù)上傳至阿里云平臺,并判斷土壤濕度是否在植物生長最佳的范圍內(nèi),如果采集的數(shù)據(jù)不在設(shè)定的安全值范圍內(nèi)則使蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警,提醒客戶此時(shí)的生長環(huán)境并不是花卉生長的最佳環(huán)境,可以采取有效的保護(hù)花卉的具體手段例如手動澆水或者等系統(tǒng)自行澆水是土壤濕度達(dá)到最大,防止花卉受到傷害,自動灌溉圖如圖2所示。

2.3 采集光強(qiáng)

本次選用的是光敏電阻類的傳感器,其原理是在有光照的情況下,可見光能夠激發(fā)光敏電阻中的電子-空穴,這時(shí)光敏電阻的阻值就會因?yàn)殡娮柚须娮?空穴數(shù)量的增多而表現(xiàn)為阻值下降,將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號再通過驅(qū)動板的手機(jī)電路將電信號傳輸?shù)介_發(fā)板中。

3 用戶操作界面的設(shè)計(jì)

本智能電視背景“生態(tài)墻”系統(tǒng)通過移動終端將數(shù)據(jù)傳輸至云端,再通過手機(jī)APP將云端的數(shù)據(jù)下載,從而能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前盆栽所處環(huán)境的光照強(qiáng)度,環(huán)境的溫濕度以及土壤的濕度。根據(jù)APP所顯示的數(shù)據(jù),用戶可以通過APP的設(shè)置界面,對電視背景墻的盆栽進(jìn)行合適的調(diào)理,使得在設(shè)定的條件下,電視背景墻依照所設(shè)定的內(nèi)容為植物改善合理的環(huán)境,讓植物一直保持在最適合生長的狀態(tài)。如果對于栽種盆景的技術(shù)不太熟悉,也可以調(diào)定智能模式,在此模式下,他會根據(jù)用戶所選擇的花草,來進(jìn)行合適的培養(yǎng),使得生態(tài)墻充滿生機(jī)。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)應(yīng)用了Arduino系列的開發(fā)板。其具有許多優(yōu)勢,它可以跨平臺操作,簡單清晰適合新手上手,開放性強(qiáng),可以在在開源協(xié)議范圍內(nèi)里可以任意修改原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼。這些優(yōu)點(diǎn)都能很好的說明此次設(shè)計(jì)是可以被大眾廣泛認(rèn)知并使用的。