基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋冰倩

（陜西師范大學(xué)，陜西 西安 710062）

0 引 言

隨著人們生活品質(zhì)的大幅度提升，綠植已經(jīng)成為每個(gè)家庭必備的物品，人們可以用它裝飾房間或者凈化空氣。但對(duì)于經(jīng)常出差的人來說，無法細(xì)心照顧它們、實(shí)時(shí)監(jiān)控植物的信息、給予植物適當(dāng)?shù)臓I養(yǎng)。因此，智能澆花系統(tǒng)開始引起了許多人的關(guān)注。

事實(shí)上，國內(nèi)外已有許多人研究并發(fā)明了各種各樣的智能澆花系統(tǒng)。例如，英國研究者發(fā)明了會(huì)提醒主人的智能花盆；Reghukumar等人設(shè)計(jì)了通過Adafruit云平臺(tái)分析植物健康狀況并向農(nóng)民或相關(guān)人員發(fā)送電子郵件警報(bào)；文獻(xiàn)[3]中發(fā)明了可以動(dòng)的“Plantroid”花盆機(jī)器人；羅維等人利用TRIZ理論設(shè)計(jì)了可控自動(dòng)澆花裝置；李明等人設(shè)計(jì)了基于Arduino的自動(dòng)澆花機(jī)；杜浩博等人和王哲等人利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了自動(dòng)澆花系統(tǒng)。

借鑒前人的研究，本文設(shè)計(jì)一種以掌控板為控制器的物聯(lián)網(wǎng)智能澆花系統(tǒng)，該系統(tǒng)有以下特征：一是使用微信公眾平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)物物相連、遠(yuǎn)程控制；二是以掌控板作為控制器，可以使用少量代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵以及三個(gè)傳感器的控制；三是該系統(tǒng)設(shè)置了自動(dòng)和手動(dòng)兩種澆花模式可供用戶選擇，方便用戶養(yǎng)護(hù)自己的植物。

1 系統(tǒng)基本原理

本系統(tǒng)主要組成部分是：微信小程序、服務(wù)器、控制器（即掌控板）。如圖1所示，通過各部分相互協(xié)作，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的交流通信。控制器的作用是把傳感器所收集的所有數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，用戶用手機(jī)綁定相應(yīng)服務(wù)號(hào)后，就能實(shí)現(xiàn)信息的查詢；另外，控制器還將利用從手機(jī)端到服務(wù)器再到控制器收到的信號(hào)去控制繼電器，進(jìn)而控制水泵出水。服務(wù)器部分主要負(fù)責(zé)微信與物聯(lián)網(wǎng)之間的消息處理，使用者在公眾號(hào)上對(duì)設(shè)備注冊(cè)與綁定后，就可以使用設(shè)備去查詢與控制傳感器和水泵。微信終端則是關(guān)注公眾號(hào)，隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)信息、操作水泵和繼電器工作。

圖1 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目最終將實(shí)現(xiàn)以下功能：通過微信小程序控制燈的亮度；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制自動(dòng)澆花；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制手動(dòng)澆花；遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)顯示植物情況，如光照度、土壤濕溫度。

2 系統(tǒng)的硬件組成與軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件組成

（1）溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是一個(gè)可以收集外界溫度與濕度數(shù)據(jù)的器件，它屬于數(shù)字類型的傳感器，其具有精度高、操作簡單、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在濕度調(diào)節(jié)器、除濕器等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其操作簡單、功耗低。

（2）光線傳感器

光線傳感器是基于PT550環(huán)保型光敏二極管的光線傳感器，用途是檢測環(huán)境光線的強(qiáng)度，其原理是利用光敏二極管對(duì)光線的敏感性，使電壓電流發(fā)生變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)值。學(xué)生常在創(chuàng)客類比賽中用其制作感應(yīng)燈等互動(dòng)作品。

（3）土壤濕度傳感器

土壤濕度檢測由土壤濕度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，其中土壤濕度傳感器外表是不銹鋼探針和防水探頭，可埋在土壤內(nèi)使用，用于檢測表層和深層土壤中的水分子含量，A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將得到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，然后掌控板對(duì)獲得的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。土壤濕度傳感器還可與Arduino、Microbit等開源硬件搭配使用，用來檢測土壤濕度值。

（4）繼電器

繼電器由控制線圈、觸點(diǎn)簧片、銜鐵和鐵芯構(gòu)成，是一種用電調(diào)節(jié)控制的“活開關(guān)”，也就是用小電流去控制大電流；它一邊連接控制器，另一邊連接輸出設(shè)備（水泵），且它有公共端、常閉端、常開端三個(gè)接線處，使用者可根據(jù)產(chǎn)品需要選擇常閉或常開端。本文設(shè)計(jì)的澆花系統(tǒng)是連接公共端和常閉端，就是默認(rèn)狀態(tài)下水泵是不工作狀態(tài)；當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，才會(huì)打開水泵。由此可見，繼電器連接著控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，發(fā)揮中介開關(guān)的作用。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的掌控板自帶物聯(lián)網(wǎng)模塊，方便設(shè)計(jì)與安裝。軟件使用mPython，該軟件有圖形化編程和Python兩種模式，模塊種類多，還提供代碼庫、通用傳感器等，新手很容易使用。程序編寫具體思路如下：首先給系統(tǒng)供電；然后開始初始化，連接網(wǎng)絡(luò)，若連接成功，則開始采集光線值、溫度值、土壤濕度值，將采集的數(shù)值在顯示屏上顯示，并上傳到服務(wù)器；用戶在小程序上綁定賬戶后，可以在小程序上以折線圖的形式查看植物的一些生長信息；最后用戶可以在小程序上選擇手動(dòng)與自動(dòng)澆水其中一種模式，若手動(dòng)，則用戶遠(yuǎn)程自己控制繼電器開關(guān)，讓水泵出水，若選擇自動(dòng)模式，就先判斷土壤濕度值是否大于或等于2 500，以此來決定繼電器開關(guān)以及水泵出水。程序流程如圖2所示。

圖2 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)流程

3 系統(tǒng)的測試運(yùn)行

將硬件連接、程序編寫完成后，開始進(jìn)入測試運(yùn)行階段，首先關(guān)注微信小程序“我的掌控版”；然后綁定信息后，進(jìn)行光線、溫濕度、水泵測試。如圖3為小程序部分測試的數(shù)據(jù)結(jié)果，圖4為具體實(shí)物圖。

圖3 微信小程序測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)。用戶可以通過微信小程序隨時(shí)查看植物狀態(tài)，解決常常無法親自照顧植物的問題。該項(xiàng)目處于基礎(chǔ)階段，后續(xù)還將繼續(xù)改進(jìn)，增加多盆植物照顧、不同植物分類照顧以及為植物殺蟲的功能，使其更加滿足人們需求，更加實(shí)用。

圖4 基于掌控板的智能澆花系統(tǒng)實(shí)物