基于物聯網的植物教學系統設計與實現

洪嘉昱，張家鵬，盧琰琪

(浙江機電職業技術學院自動化學院，浙江杭州，311611)

0 引言

隨著社會科學教育水平的升高，steam 教育的興起，以及學生和老師對于實驗的數據可視化、數據準確性以及實驗過程可控性的需求日益增高，傳統的動植物實驗教育模式已逐漸無法滿足現有的教學需求。在這樣的大環境下，設計一個種針對中小學的科學實驗的實驗教儀的重要性就體現了出來。采用嵌入式技術、傳感器技術再結合物聯網技術，使用戶可以通過網絡或可視化軟件編程實現對于實驗儀器內的光照、氣體、水分等十余種參數進行設定，同時儀器也會將內環境參數實時反饋給用戶，大大提高了實驗數據的準確性和實驗過程的可控性。

1 系統設計

1.1 總體設計

本文提出的植物培養系統總體結構，主要由手機端交互程序和PC 端LABVIEW 構成上位機系統，ESP32-CAM 模塊和STM32F103C8T6 構成下位機控制傳感器和執行機構。上下位機通過訪問云服務器進行數據交互，同時存儲歷史數據和照片。上位機既可以通過LABVIEW 自行定制，也可以通過手機端操作，只需要擁有訪問碼即可，以適應不同需求的用戶。下位機通過ESP32 自帶的WiFi 聯網，攝像由ESP32-CAM 模塊搭載的OV2640 實現。STM32F103C8T6 負責控制燈光、熱量、語音播報、水泵、電磁場、電刺激、超聲波等創新功能和讀取傳感器，ESP32 和STM32 通過串口交換數據。

1.2 光熱控制和空氣傳感器

系統搭載的傳感器較多且STM32F103C8T6 程序存儲空間較大，適合進行光照度閉環控制。光照度控制系統由傳感器BH1750 和白-紅-綠-藍四色LED 燈組成，當室外陽光強烈時LED 燈組亮度自動降低，反之升高，使得箱體內光照度恒定為用戶設定值。同理，空氣溫度由AHT10 采集，與PTC 加熱器構成閉環。LED 燈組由STM32F103C8T6 的定時器2 輸出不同占空比來控制LED 燈組亮度，PTC 加熱器由于使用220V 供電，只能通過固態繼電器通斷控制發熱量，其控制邏輯如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

1.3 二氧化碳閉環控制

考慮到MH-Z19D 等傳感器體積功耗較大且成本較高，不適合批量生產，通過市場調研后，經過多種同類產品比較，最后選用了采用基于MEMS 工藝制作的CCS811 的傳感器。其具有體積較小，控制代價較低、成本低的優點。其尺寸為4mm*2.7mm且可以和AHT10、BH1750 使用同一條I2C 總線，大大減少了STM32F103C8T6 的一般IO 使用量，提升了控制效率。

二氧化碳的生成采用檸檬酸-碳酸鈉中和反應法。該方法相較于氣瓶存儲法，有效的提升了產生裝置的壽命和安全性，同時提升了可控性，進而提升了生成效率。生成裝置采用兩個PP 塑料盒，其中一個盛放檸檬酸溶液，另一個盛放碳酸鈉溶液。通過水泵將碳酸鈉溶液泵入檸檬酸溶液中進行中和反應即可產生二氧化碳。如圖4 所示，裝置至于上方，利用空氣自然對流使箱體內二氧化碳均勻分布。采用了與箱內發熱控制采用相同的控制邏輯，實現了閉環控制二氧化碳濃度如圖2 所示。

圖2 閉環控制邏輯圖

圖3 土壤傳感器電路圖

圖4 土壤傳感器PCB 結構

1.4 帶有缺水反饋的潛水泵

為了簡化裝配流程，將缺水反饋裝置簡化為兩個PCB 上的焊盤，利用焊錫自身帶有的致密氧化膜防止腐蝕。其中一個焊盤直接接地，另一個焊盤連接STM32F103C8T6 的GPIO 并使能上拉電阻。當水位低于兩個焊盤時，GPIO 會讀到高電平。這種設計大大減少了裝配時間，有效降低成本。

2 傳感器及數據采集

傳統的電阻式土壤濕度傳感器在含鹽、潮濕環境中壽命精度易受影響，且市售的電容式土壤濕度傳感器價格偏高且功能單一。介于電容式土壤濕度傳感器本身原理簡單，自行設計基于NE555 震蕩的土壤濕度傳感電路，并將土壤電導率、土壤酸堿度、土壤溫度一并集成到單塊印刷電路板上。

如圖7 所示,溫度傳感器LM35 和兩對極耳置于前端便于深入土壤。LM35 表面覆蓋防水膠，其余元件置于后端并涂刷三防漆覆蓋熱縮管防潮。NE555將印制電路板上的電容變化轉為頻率變化，通過程序讀取。經實驗，頻率僅和土壤濕度有關，與土壤密度無關。經過多次測試，傳感器的頻率隨土壤的濕度增加而降低，其具體表現如表1 所示。

表1 傳感器檢測頻率濕度對應關系如表

通過直流恒流源接通土壤來檢測其電導率的方法會造成土壤被電解產生極化現象，干擾數據測量。因此需要向土壤接通交流電后測量電壓降避免電解反應。如圖6 所示，直流脈沖由U2 提供，再由U1A 轉換為交流脈沖后通過電極接入土壤。另一端電極采集電壓后通過U1B 低通濾波去除干擾，再由U1C 和U1D 進行精密整流，最后送至STM32F103C8T6 的ADC轉換。多次取數據取平均值后，帶入公式即可求電導。式(1)為電導率計算公式。

圖5 發送端例程

圖7 超聲波驅動電路

其中，S 為電導率S/cm，K 為電導池常數1.0cm-1；R 為R4的阻值2K；U0為信號源電壓平均值0v；U1為實際取得的值。

由于土壤電導率受溫度和土壤濕度影響較大，需要先讀取溫度和濕度信息，再通過查表法依次尋找對應β 的值，該系數在25℃時為0.02。

土壤酸堿度由一對銅鋅電極組成，利用原電池反應檢測土壤的酸堿度，與電導率觸點一同安置在頭部。經實驗，銅鋅電極輸出的最高電壓不超過STM32F103C8T6 的ADC 最大量程且與土壤酸堿度表現出強相關性。

此土壤傳感器濕度、溫度、酸堿度讀取精度較高，電導率檢測具有參考意義，制作簡單功能完備，契合非實驗室使用需求。

3 人機交互及創新點概述

3.1 基于安卓系統開發的交互程序

交互程序主要面向中小學生，因此需要簡單易懂。主要包括遙控操作、信息通知、照片成像和密鑰設置功能。植物培養箱通過互聯網將照片和數據上傳至物聯網服務器上設置的topic，交互程序訪問相應的topic 即可取得數據和圖片。交互程序采用B/S 架構，Vue.JS 作為框架，遵循Web 交互程序的設計思路。因此不需要通過應用商店的審核，可以直接通過瀏覽器“安裝”。區別于傳統的植物培養箱僅限于實驗、記錄，還設計了將多張照片組合成延時攝影視頻的功能，能夠將植物整個生長周期內所有的照片匯總成一支視頻，讓使用者直觀了解植物生長的過程。為了方便批量管理，利用物聯網服務器同時需要cmd（命令）、uid（用戶id）、topic（話題）的特性，設置密鑰功能。cmd 和uid 始終恒定，設置不同的密鑰就相當于訪問不同的topic，而topic 在出廠時后臺設置好后交給用戶，因此使用方便不需要注冊賬號密碼。免安裝、跨平臺、無賬號是該交互程序面向中小學生實際情況所達到的特性。

3.2 PC 端LABVIEW

植物培養箱需要面對多種使用需求，為了便于用戶改裝和更改使用方式，還設計了LABVIEW 例程。采用軟件定義儀器的思維，如用戶需要增加定時或條件啟動某功能，可以自行更改。手機端和PC 端同樣采用物聯網服務器進行數據存儲和轉發，該設計同時考慮到中小學生需要的易用性和其它用戶需要的可定制性。

3.3 創新功能

與傳統的植物教學不同，為了啟發中小學生的創新思維和提升實驗能力，開創性地增加了音波、電刺激、磁場刺激、超聲波、乙烯噴灑功能。這些功能能夠勾起學生的好奇心，更愿意動手動腦研究，彌補現有教育方式的不足。

JQ6500 模塊內預先燒錄搖滾樂、古典樂、白噪聲、低頻聲、高頻聲，再通過放大電路和揚聲器直接在箱體內播放。音波刺激植物生長在先前已有實驗，通過本系統可以將實驗規模擴大化，便于學生通過實驗尋找不同品種植物最合適的音樂種類以及求證音波本身是否利于植物生長。

為了方便研究乙烯對植物生長的影響，創新性地在箱體內設置了基于超聲波霧化模塊的乙烯噴灑裝置。乙烯無毒，通常噴灑濃度不大于500mg/Kg,利用單片機延時來控制超聲波霧化模塊工作時間，進而控制箱體內乙烯濃度。該功能相較于原本手動噴壺噴灑，具有準確度高、全自動的優勢，簡化實驗流程。

電刺激功能通過STM32F103C8T6 的定時器配合查表法產生SPWM 波，再交由RC 積分電路轉換成正弦波。先前已有電刺激增加農作物產量的實驗，通過直接集成在箱體內的方式便于學生研究電刺激與植物生長的關系。

為了方便研究低頻交變磁場對植物的影響，設置了一個非固定的空心線圈管，根據空心電感計算公式（2）：

其中線圈直徑d 取50mm，匝數取500，線圈長度l 取50mm，可得電感值L 為8.493mH。在電源為5v 50Hz 的情況下，最大工作電流2.73A。集成該功能能夠將電磁生物學這門邊緣學科帶到學生身邊，對學生具有啟發作用。

考慮到單個16mm 超聲波發射頭發射功率較小，無法使實驗對象發生明顯變化，設計為成單個大功率型41mm 發射頭。驅動方式采用非門推挽，能夠在發射頭上產生交流方波，最大程度利用電源電壓。

4 結束語

本文以STM32F103C8T6 單片機為核心，結合傳感器BH1750、CCS811、AHT10，輔以交互程序與LABVIEW，形成了一個完整的控制系統。該系統可以檢測并控制光照的顏色與強度，空氣的濕溫度與二氧化碳含量，土壤的電導率、酸堿度與溫濕度，以更好的控制植物的生長環境。并創新性的加入了音波、電刺激、磁場刺激、超聲波、乙烯刺激生長功能。不但增加了中小學生植物科學實驗的創新性，提高每一次實驗的成功率。