基于Leonardo控制芯片的智能澆花系統設計

孫秋鳳，李 霞

（南京師范大學泰州學院，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

隨著人們生活水平和生活品質的逐漸提高，養殖花卉是大多數人陶冶情操、裝點生活的不二選擇。但大部分人會因為忙碌的工作、不間斷的出差，忘記給養殖的花卉澆水，致使花卉枯死等。面對令人困擾的花草澆水問題，市場上出現了一些自動澆花系統，根據原理可分三類：自動滲水裝置，內部預存水，利用水壓自動澆水，缺點是無法判斷土壤濕度；定量澆水，缺點是價格較貴，并且也不能根據土壤濕度調節水量；使用單片機控制的澆花系統比前兩者價格更高。因此，本文設計了一種更智能、低成本、操作方便的澆花系統。該系統不但可以實現根據土壤和空氣溫濕度自動灌溉，還可以通過手機端APP修改澆花條件，調節出水量。

1 系統總體設計

本智能澆花系統主要由Arduino Leonardo控制芯片、電源電路、DHT溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、BLELINK藍牙通信模塊、水泵自動控制電路和蜂鳴器報警模塊等組成，系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架

Leonardo芯片控制模塊、水泵自動控制模塊、DHT溫濕度及土壤濕度檢測模塊和藍牙通信模塊是核心模塊。系統分為自動和手動模式。自動模式：DHT溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器的數據會被控制芯片檢測并判斷是否需要開啟水泵自動澆水。手動模式：用戶根據手機APP端顯示的空氣溫濕度和土壤濕度信息判斷是否需要修改水泵啟動條件，并通過藍牙模塊將指令傳輸給控制芯片，從而更改澆水條件。

2 系統電路設計方案

2.1 Arduino Leonardo控制芯片

Leonardo是基于Atmega32u4控制器的單片機，工作電壓為5 V，采用USB供電或外接6～23 V直流供電，兼容Arduino R3引腳映射，提供14個數字I/O和8通道10位模擬I/O，2個2 A大電流的H橋馬達驅動器，內建Xbee插板，集成APC220 RF模塊和藍牙模塊插板。圖2為Leonardo控制芯片引腳。

圖2 Leonardo控制芯片引腳

2.2 DHT溫濕度傳感器

DHT溫濕度傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，與高性能8位單片機相連。測溫范圍為0～50 ℃，誤差為±2 ℃，濕度范圍為20%RH～90%RH，誤差為±5%RH，響應時間為6～30 s，測量分辨率為8位（溫度、濕度），采樣周期間隔不低于1 s。傳感器在濕度校驗室中進行校準，校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，通信過程如圖3所示。

圖3 通信過程

2.3 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器探頭表面采用鍍鎳處理，加寬了感應面積，提高了其導電性能，有效解決了接觸土壤后探頭容易生銹的問題，延長了其使用壽命。探頭可直接埋入土壤中，適合在花卉、苗圃等需要檢測土壤濕度的環境中使用。

土壤中的水分含量能改變土壤的電阻率，通常情況下，土壤中的含水量越高，導電能力就越強。土壤濕度傳感器的金屬片在插入土壤中時，能充分接觸到土壤，檢測到電阻率的改變，并轉化成電信號。圖4所示為土壤濕度參考數值。

圖4 土壤濕度傳感器參考值

2.4 BLE-LINK藍牙通信模塊

BLE-LINK是基于TI CC2540藍牙芯片的通信模塊，工作頻率為2.4 GHz，靈敏度為-93 dBm，最遠傳輸距離約30 m，兼容Xbee擴展。通信協議為低功耗V4.0，可實現2個藍牙模塊間實物點對點無線透明傳輸。該模塊為主從機設置，無線燒錄程序，與PC建立HID連接。

2.5 水泵自動控制模塊

水泵自動控制模塊中使用繼電器控制水泵開關。繼電器的作用類似開關，當繼電器通電后，線圈流過電流，產生電磁效應，銜鐵受到的電磁力大于彈簧的拉力，導致銜鐵的動、靜觸點吸合，即開關閉合。當線圈斷電后，失去電磁力，銜鐵受彈簧的反作用力回到初始位置，動觸點與初始靜觸點吸合，即開關斷開。繼電器模塊接線端NC代表常閉，NO代表常開，N/A代表空腳，COM為公共端。圖5為繼電器與水泵的連接圖。

圖5 繼電器與水泵連接圖

3 系統軟件設計

系統功能軟件設計包括傳感器檢測采集數據（土壤濕度和空氣溫濕度）子程序、自動灌溉子程序、藍牙通信子程序等。主要程序流程如圖6所示。

圖6 系統流程

手機端通過藍牙模塊顯示傳感器收集的數據，用戶在手機端也可更改溫濕度的閾值，修改水泵啟動的條件。圖7為系統實物。

圖7 系統實物

4 結 語

針對目前澆花系統有線控制的缺陷，本文設計了一款以Arduino Leonardo芯片為控制器的智能澆花系統，該系統在自動模式下可以實現對土壤濕度、空氣溫濕度的全天候采集、處理、顯示，在手動模式下可以自定義閾值，通過藍牙修改澆花條件。經測試，該系統反應靈敏，自動控制程度較高，制作方便。本文的設計還可以為其他自動灌溉系統提供參考。