智慧種植云管家

天津職業技術師范大學 張 迪 劉新月 王 鵬 馬文凱 李秉恒 王亞杰 蘇 鵬

本文提出了一種智慧種植云管家。該項目利用物聯網的最先進技術來實現智能種植系統。以Arduino Nano為主要技術支持，主要用于土壤的綜合管理，如溫度、光照、濕度等環境參數的自動檢測，并確定何時灌溉、通風。如果發現環境參數超過了閾值，智慧云管家則可以報警并自動采取對策進行處理。同時云管家可以隨時隨地識別植物生長狀況。

隨著人們生活質量的不斷提高，人們將在陽臺和后院種植植物，使生活更加豐富多彩。植物的生長離不開水的支持，但是，當人們在出差或旅游中時，植物生長所需的水和陽光無法得到保證，從而構成干旱或死亡威脅。大多數傳統灌溉方法都使用人工灌溉，即通過主觀的人類意識來判斷植物是否需要澆水，但是不同的植物有不同的需水量，特別是一些稀有植物，其需水量要求更高。如果遇到長時間的降雨或連續幾天的日照，當水分過多時會導致根莖腐蝕，或者植物因缺乏水分而枯萎而死亡。因此，迫切需要一種可以測量土壤溫度，濕度和外部陽光的方法，以便為植物的健康生長提供充足的灌溉和光照。本文主要使用Arduion單片機作為控制核心，通過各種傳感器從植物周圍的環境中收集信息，將其提交到云服務平臺，用戶可以通過操縱手機客戶端應用程序來維護和監視遠程設施。

1 系統工作原理

本文設計的智慧種植云管家主要實現對家中植物進行實時監控及護理功能，大大提高了植物的生存能力。通過WIFI模塊實現數據傳輸及指令執行，通過實現互聯網應用，減少像人工這樣的工作環節，提升工作效率。其整體系統圖如圖1所示。

圖1 智慧種植云管家系統圖

根據實際應用功能設計需求，智慧種植云管家通過溫濕、光敏傳感器等感應植物泥土的溫濕度及周圍環境情況并通過WIFI模塊傳遞給云平臺，使用手機端實時監控植物生長情況，用戶可通過上傳的數據自行判斷或通過微處理器自動判斷植物是否缺少水分、光照等。若要增添水分光照等，即可通過云平臺將指令發送給微處理器并控制繼電器進行灌溉以及補光，也可由微處理器自行判斷進行灌溉及補光，從而實現為植物遠程的護理。

2 系統硬件設計

本文設計的智慧種植云管家硬件系統主要包含電源電路、控制電路、外圍電路（顯示電路、檢測電路、驅動電路、補光電路、通信電路）組成，其系統設計框圖如圖2所示。

圖2 系統設計框圖

通過系統的框圖可看出，硬件系統以ARM處理器Arduino Nano為核心，外圍配置顯示電路、LED信號燈、溫濕度傳感器、補水補光電路以及通訊模塊等，從而環境數據檢測、灌溉補光、物聯通訊等功能。

2.1 電源電路

電源電路負責整個裝置的的用電需求，該設備使用直流穩定電源來提供穩定的直流電壓。直流穩壓電源是一種將220伏頻率的交流電流轉換成恒定直流電的裝置。它分為四個階段：電壓轉換、整流、穩壓和濾波。它通常由一個電源變壓器、一個反流過濾電路和一個穩定電路組成。

2.2 控制電路

該控制電路的微處理器使用Arduino Nano型開發板。Arduino單片機具有很高的處理運算能力，使用C語言編程環境，控制方便，功耗低，體積小，具有廣泛的I/O端口資源，并且是集成的。使用+5V直流電源，具有多功能性和低成本的優點。

Arduino Uno開發板通過輸入輸出收集溫度、水分和環境因素感應器發出的信號。可通過終端在機智云中啟動照明、灌溉、窗戶等，并改善生態環境。通過WIFI模塊將傳感器加載的參數發送到機智云服務器，以允許通過移動設備進行移動訪問。微處理器作為整個裝置的核心，主要作用為收發控制指令、數據分析以及監控控制，從而控制各個模塊正常工作，其實物圖如圖3所示。

圖3 智能種植云管家原理圖

2.3 外圍電路

外圍電路包含顯示電路、檢測電路、繼電器驅動電路、補光電路、通訊模塊等組成。

2.3.1 顯示電路

它使用LCD1602液晶顯示器，其主控芯片為HD44780，主要優點是LCD1602重量輕，功耗低，具有強大的防干擾能力和高屏幕分辨率，一次可顯示32個字符。主要對檢測參數時間進行讀取顯示，更方便用戶的觀察。

2.3.2 檢測電路

本裝置采用型號為SLHT5-1的溫濕度傳感器，連接主控單片機，信號采集和處理后，溫度和濕度通過濾波電路、V/I轉換、運算放大、恒電流和反向過壓的防護，轉換為電流信號或信號的電壓與溫度和濕度的線性關系，把模擬量轉換為數字量輸出，其濕度范圍為0-100%RH，溫度測量范圍為-40到+123.8℃，濕度測量精度為±3%，溫度測量精度為±0.4℃。通過溫濕度傳感器即可測量植物土壤溫濕度等數據，具有較高的靈敏度。

2.3.3 驅動電路

在整個控制電路中，驅動電路由繼電器實現，使用三級管來控制繼電器的運作。當三極管導通，繼電器閉合，從而啟動自動灌溉裝置，實現對植物的自動灌溉。

2.3.4 補光電路

高亮度的白色LED燈用作附加的照明電路。高亮度LED是一種新型的LED，其亮度是傳統LED發光二極管的約100倍。高亮度LED燈具有可靠實用，壽命長，光照強等優勢。在這種結構中，三極管控制高亮度LED燈的開和關，并且限流電阻器用于保護三極管。當三極管由正電壓接通時，從而啟動補光裝置，實現對環境的補光，提供足夠的光照。

2.3.5 通訊模塊

采用型號為ESP8266 WIFI模塊實現通信，上位機是由云平臺開發和設計的。由云官方提供的GAgent固件燒錄到ESP8266 WiFi模塊中，然后移植串行接口協議。初始化ESP8266-WiFi模塊后，將初始化數據，并可以通過上位機和微控制器進行數據處理。交換通信內容并將其保存在云開發者中心，以實現對系統的監視和維護。

3 系統軟件設計

智慧種植云管家軟件的設計基于硬件系統，通過設計軟件程序來執行智慧種植云管家植物的數據檢測，數據傳輸和灌溉。系統軟件的設計包括智能種植云控制系統的程序設計（圖4）以及PC端上位機軟件設計的兩個部分（圖5）實現了智能云管理控制和人機界面。

圖4 系統設計圖

圖5 上位機軟件界面圖

該系統支持C語言結合匯編語言的混合編寫，較低的驅動程序與主語言的編寫相關聯，外部使用C語言接口。在Arduino IDE5.0上安裝開發環境，從智能云中導入開發材料文件，為不同的功能開發存儲模塊，編譯程序并下載到開發版本進行調試。系統方案主要啟動主程序與子程序，APP遠程控制模塊，用于讀取環境光、土壤水分、空氣溫度的子程序的子程序。

PC端的主機軟件設計用于人機交互，并在計算環境中實現對云管家的遠程監控。本設計采用機智云作為第三方應用平臺，并使用ESP8266射頻模塊與機智云平臺連接，實現APP遠程控制，互聯網或LAN通信。機智云服務平臺接收系統傳感器加載的遠程客戶端可訪問和觀看的參數，接收遠程客戶端訂單，控制參數通過運行模塊通過無線電模塊和環境參數調節系統傳輸到Arduino控制器。該平臺為用戶提供API接口、數據存儲和處理服務功能，以及智能硬件開發框架和云服務功能。平臺上可以立即確定產品進行開發和調試設備的一側，并提供應用開發、測試、產品發展云計算和數據服務，涵蓋所有智能設備的生命周期。PC上計算機接口如圖5所示。

結束語：本文提出一種智慧種植云管家，綜合運用物聯網技術的實時動態信息收集系統，對植物進行了快速，多維，多尺度的實時監控，并進行了綜合管理。該系統可以自動檢測光線，通風，溫度，濕度等，促進植物健康發展，是農業與物聯網技術的有機結合，是科技化農業的重要標志。建立基于物聯網的智能農業系統將提高植物的容錯種植率，提高植物的可種植性。