家用智能蔬菜種植系統設計

付于 林智慧

摘要：設計以STM32單片機作為核心控制器，外圍結合了溫濕度傳感模塊、光照傳感模塊、報警模塊、電源模塊、執行模塊、顯示模塊等。當系統啟動時，溫濕度傳感器和光照強度傳感器會持續檢測蔬菜種植柜中的環境數據，當檢測值不滿足預設值時，系統會對當前的溫濕度和光照強度進行補償，一旦檢測數據滿足預設值時，系統會停止補償，繼續檢測。經測試，該家用智能蔬菜種植系統運行穩定，性能良好，具有操作方便、成本低、占地小等優點。

關鍵詞：蔬菜種植系統;STM32;傳感器

中圖分類號：TP3 ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0111-02

隨著人們生活水平的提高，人們對于食品安全和休閑娛樂的需求越加明顯，特別是一些城市居民，在使用智能蔬菜種植系統時，不僅能夠收獲新鮮的蔬菜，還可以豐富自己的日常生活。市面上所售的蔬菜種植架結構簡單，功能單一，對種植環境和使用人員具有較高要求，很大程度上限制了室內蔬菜種植的發展。本文所研究的家用智能蔬菜種植系統將降低城市用戶對于蔬菜種植的技術及環境條件，通過采集的數據對蔬菜生長進行自動控制，全程無須干預，方便種植。該系統對用戶基本無種植經驗要求，其種植簡單，具有觀賞性、娛樂性、重視用戶體驗，是解決城市居民對生態蔬菜需求的一種新途徑。

眾所周知，當蔬菜所處的環境溫度、濕度和光照強度過高或者過低時，都會影響蔬菜的生長和發育，由于環境不適宜而引起蔬菜發黃、干枯、壞根是室內種植蔬菜最容易出現的問題，進而影響到蔬菜的外觀，使種植者對于室內種植蔬菜喪失興趣。由于城市居民大多數是沒有蔬菜種植經驗的，在室內環境中種植土壤較淺，水分較容易流失，且在室內光照、通風和溫濕度都不太適宜蔬菜生長。所以，一種智能蔬菜種植系統的研究和設計可以降低城市居民在室內種植蔬菜的難度，以此滿足人們在室內種植蔬菜的美好愿望。

1 總體方案設計

將種植架置于室內合適的地方，播種蔬菜種子或者幼苗，同時啟動智能種植系統開始工作。種植系統上的光照傳感器實時采集光照數據，并將數據傳輸到控制系統中，控制系統會根據事先輸入的該品種蔬菜適宜生長的光照參數來檢測當前光照強度是否合適，一旦強度低于預設值，就啟動光照強度補償功能，將光照強度調整到適宜生長的強度范圍。同理，系統上的溫濕度傳感器實時檢測環境的溫度及濕度，并將數據傳輸到控制系統。當溫度偏低時，控制系統會根據事先輸入其中的該類蔬菜生長數據來控制增溫裝置進行增溫，使溫度達到最適宜溫度;當溫度偏高時，控制系統會控制降溫裝置進行降溫。濕度不達標時，系統就會啟動霧化系統，將土壤濕度補充到最適宜生長的濕度。系統的結構框圖如圖1所示。其中執行模塊包括降溫、加濕等裝置。

2系統硬件設計

2.1控制模塊

本設計采用的核心控制器是STM32F103C8T6單片機，該單片機基于超低功耗的ARM Cortex-M3 處理器內核，整體增強了技術性和功能性，它是一款工作性能比較好、使用成本比較低、功耗比較小的一種嵌入式應用芯片。其內部主要包含了片上集成64KB的Flash存儲器和20KB的SRAM存儲器，同時還具有非常豐富的片內外設，如看門狗、定時/計數器、I/O口、DMA控制器、模數轉換器、串口等。控制模塊原理圖如圖2所示。

2.2溫濕度檢測模塊

本系統采用的溫濕度傳感器是DHT11數字溫度傳感器，它不僅可以把溫度信號直接轉換成數字信號交由單片機控制器進行分析和處理，而且采用的是單線接口。其中最突出的特點是：可以直接將溫濕度信號轉換成數字信號進行傳輸。該傳感器在測量的準確度、轉換時間、傳輸速度中都比傳統的溫濕度傳感器有明顯優勢。同時，該傳感器可以更準確地解決各種情況下出現的誤差，使溫濕度傳感器在可靠性和安全性方面表現優良。DHT11傳感器的特點是可以采用一根單線進行信號傳輸，無須外圍元件;可以實現多個測溫點;測溫范圍為0-225攝氏度;測量的數據值可以再次進行編程。當溫濕度達到預設值的時候，就會進行報警處理。其電路圖如圖3所示。

2.3光照強度檢測模塊

光照傳感器主要應用于檢測光照強度是否滿足蔬菜的生長要求，以保證蔬菜能夠在合適的光照下生長。系統采用的光照強度檢測模塊是GY302。該模塊是一款基于IIC通信的16bit的數字型傳感器。模塊主要是以BH1750數字型光強感應芯片為核心及一些外圍驅動電路構成，可以測量的光照度范圍為0～65535勒克斯，最小誤差波動為±20%，分辨度為1勒克斯。此模塊是一個五針腳模塊，包含VCC、GND、SCL、SDA、ADDR五個引腳。其中VCC接電源正極，其電壓范圍在3～5V之間;GND接地;SCL為時鐘線;SDA為數據線;SCL和SDA與單片機相連時接上一個5k阻值的上拉電阻;ADDR為寄存器的地址引腳，其接地時器件地址為0100011，接電源正極時器件地址為1011100。

3系統軟件設計

蔬菜種植系統上電啟動后，通過溫濕度傳感器DHT11和光照強度傳感器GY302實時檢測溫濕度和光照參數，并將檢測數據傳輸到主控制系統，主控制系統對傳輸過來的數據進行分析和處理，最終判斷出種植柜里的溫度、濕度和光照強度是否復合設定范圍。若滿足，則繼續監測環境數據;若不滿足，聲光報警器報警，執行模塊工作，進行相應參數的補償，直到滿足設定值范圍，關閉補償，繼續監測，如此往復。系統的主程序流程圖如圖4所示。

4 系統測試

軟硬件設計調試后，進入到系統測試階段。當實物上電啟動后，手動模擬環境參數變化，溫濕度傳感器和光照強度傳感器會持續檢測蔬菜種植系統中的環境數據。當檢測值不滿足預設值時，系統會對當前的溫濕度和光照強度進行補償;當傳感器檢測到環境數據滿足預設值時，系統會停止對當前溫濕度和光照強度進行補償，繼續進行參數檢測。系統實物如圖5所示。

具體模擬測試過程為：用手將光照強度傳感器遮住，模擬?室內的光照條件，補光系統開始工作;系統穩定后將手拿開，模擬室內光照強度增加，種植系統停止補光;用手接觸溫度傳感器模擬室內環境溫度升高，種植柜提示燈亮起，風扇開始工作;待系統穩定后將手拿開，模擬室內溫度降低，風扇停止轉動;把濕度閾值設置為高于當前濕度值，將濕度傳感器置于濕抹布之上，從而模擬濕潤土壤，待數值穩定后，拿開濕抹布模擬土壤濕度降低，種植系統的水泵開始工作。待系統穩定后再將濕抹布置于濕度傳感器上，模擬土壤濕度增加，水泵停止工作。

測試結果表明，系統工作穩定，運行正常，測量數據準確，誤差在允許范圍內。

5 結語

在物聯網技術蓬勃發展的今天，智能化的蔬菜種相較傳統意義上的種植更加人性化和科技化。在城市居住環境中，利用陽臺等空間，種植蔬菜，不僅能夠美化環境，消遣閑暇時光、改善室內環境，又能食用到新鮮營養的綠色食品，一舉多得。市面上所具有的蔬菜種植架結構簡單，功能單一，對種植環境和使用人員具有較高要求，所以限制了都市農業的發展。本文所研究設計的智能蔬菜種植系統具有成本低、使用簡單、穩定易用等特點，彌補了傳統種植的不足，將成為今后室內種植的一種新模式，擁有廣闊的市場應用前景。

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【通聯編輯：朱寶貴】

收稿日期：2021-05-25

基金項目：西安思源學院2020年國家級大學生創新創業訓練項目（S202013121004S）

作者簡介：付于，本科在讀;林智慧，女，副教授，主要研究方向為電子通信技術等。