基于ARDUINO的物聯(lián)網(wǎng)澆水設(shè)備設(shè)計(jì)

溫禧龍 朱旺宇 王飛宇 張 蕊

（安徽師范大學(xué)皖江學(xué)院 安徽蕪湖 241008）

一、引言

隨著現(xiàn)代人生活水平的提高以及對(duì)家庭環(huán)境和家居裝飾的重視，在家庭栽種綠植逐漸成為一種新時(shí)代的潮流。但部分養(yǎng)花人受限于工作繁忙，無(wú)暇顧及花草；經(jīng)驗(yàn)不足，無(wú)法正確提供植物所必要的光照和水分。為了避免不必要的損失，以及提高花草種植者的種植體驗(yàn)，文章設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)光照強(qiáng)度、環(huán)境溫濕度和土壤濕度并進(jìn)行澆水和提供人工光照實(shí)現(xiàn)自動(dòng)照顧花草植物的設(shè)備。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以Arduino為核心，由光照強(qiáng)度傳感器、DHT11環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器等作為信息采集子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，將收集到的數(shù)據(jù)匯集到Arduino進(jìn)行處理。以水泵、LED植物燈為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物周邊環(huán)境溫濕度以及土壤濕度、光照強(qiáng)度、光照時(shí)間并根據(jù)用戶設(shè)定的模式判斷是否需要開(kāi)啟人工光照和澆水程序。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）控制模塊

物聯(lián)網(wǎng)處理平臺(tái)選擇使用Arduino Mega、Arduino平臺(tái)使用c語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，擁有自己的IDE和類型多樣的庫(kù)便于用戶調(diào)用，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間。且mega2560接口豐富性能強(qiáng)，后期拓展方便。

（二）光照強(qiáng)度傳感器

文章使用GY-30光照傳感器，測(cè)量范圍1-65535lux，分辨率可達(dá)1lux，使用I2C通信，因本文在檢測(cè)光照精度需求較高因此采用H－分辨率模式，此模式下測(cè)量精度更高，更能滿足測(cè)量光照強(qiáng)度的需求。

（三）環(huán)境溫濕度傳感器：

環(huán)境溫度傳感器采用DHT11該傳感器工作穩(wěn)定可靠性高且價(jià)格低廉，溫度量程為0℃-50℃精度為±2℃，濕度量程為5-95%RH精度±5%RH。供電電壓3.3v。

（四）土壤濕度傳感器

使用YL-69傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行測(cè)量。YL-69擁有四個(gè)接口，并可以通過(guò)A0接口輸出模擬量，通過(guò)D0接口輸出數(shù)字量。為獲得更準(zhǔn)確的土壤濕度值本文選用A0接口配合AD轉(zhuǎn)換器接入Arduino模擬接口測(cè)量土壤濕度。

（五）LED全光譜植物生長(zhǎng)燈

該設(shè)備使用15瓦LED植物燈，可通過(guò)模擬太陽(yáng)光譜為植物提供光照，適合為完全室內(nèi)種植的植物提供光照，促進(jìn)植物生長(zhǎng)且相較于傳統(tǒng)鈉燈光效高，更節(jié)能環(huán)保。

（六）WiFi模塊

作為無(wú)線連接模塊與Arduino通過(guò)TX RX接口連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，在本文中設(shè)置為STA模式，在此模式下ESP8266模塊通過(guò)路由器連接到網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器可通過(guò)電腦通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程查看和控制。

（七）時(shí)鐘模塊

為使系統(tǒng)在未連接網(wǎng)絡(luò)情況下正常工作獲取時(shí)間，時(shí)鐘模塊采用DS1302可以提供年月日以及日期、秒、分鐘等信息，并且還有閏年自動(dòng)調(diào)整的能力，自帶一顆紐扣電池保證系統(tǒng)在斷電重啟后也能準(zhǔn)確獲取時(shí)間。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）工作模式

文章設(shè)計(jì)機(jī)器有三種工作模式分別為自動(dòng)模式、輔助模式和建議模式。可通過(guò)按鈕和app操控實(shí)現(xiàn)模式切換，模式切換使用switch語(yǔ)句進(jìn)行模式切換，當(dāng)輕觸開(kāi)關(guān)被按下則切換模式。

在自動(dòng)模式下澆花設(shè)備可自動(dòng)進(jìn)行土壤濕度判斷并澆水，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)打開(kāi)水泵進(jìn)行澆水5s之后判斷水量是否充足，如果水量充足則結(jié)束澆水程序，反之則重復(fù)澆水程序直到土壤濕度傳感器判斷水量充足，并根據(jù)光線傳感器返回值判斷是否需要開(kāi)啟LED植物燈。

在輔助模式下澆花設(shè)備會(huì)輔助用戶進(jìn)行澆水，當(dāng)用戶忘記澆水時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)澆水和提供光照，在檢測(cè)到土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)時(shí)鐘模塊獲取時(shí)間，當(dāng)時(shí)間超過(guò)凌晨2：00且土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)設(shè)備會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)澆水程序。

在建議模式下澆花設(shè)備不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行澆水和提供光照，僅會(huì)給用戶提供澆水和光照建議，會(huì)讀取傳感器返回值并與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)推送消息提醒澆水以及給植物提供光照。

（二）澆水設(shè)定

設(shè)備每6分鐘檢測(cè)一次溫濕度以及土壤濕度，當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度低于設(shè)定值時(shí)，控制器向電磁繼電器發(fā)送信號(hào)打開(kāi)水泵澆水5s后等待5s，使水流有足夠時(shí)間滲進(jìn)土壤避免過(guò)量澆水。

（三）WiFi連接

本系統(tǒng)需要連接至服務(wù)器以實(shí)現(xiàn)向用戶推送消息的功能，但由于ArduinoMEGA沒(méi)有搭載WiFi模塊，故本文將esp-01連接至Arduino實(shí)現(xiàn)WIFI通信。

五、結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的基于Aduino的智能澆花設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉生長(zhǎng)環(huán)境的監(jiān)控并自動(dòng)進(jìn)行澆灌以及提供光照，解決了傳統(tǒng)澆水設(shè)備不夠智能，澆水過(guò)量的問(wèn)題。但整套系統(tǒng)仍存在澆水量的精細(xì)控制不足、溫濕度的測(cè)量精度不高、光照時(shí)間的準(zhǔn)確判斷不足以及設(shè)備斷網(wǎng)后無(wú)法及時(shí)向用戶推送消息等不足。