陽臺植物智能監測管理系統的設計

張云ZHANG Yun

（安徽開放大學，合肥 230022）

0 引言

在疫情防控常態化大背景下，為了保障社會及個人的安全，在休息時間，越來越多的人選擇呆在家中，減少外出，減少聚集。而長期居家容易造成心理壓力增大，心情煩躁等心理問題[1]。在這種情況下，人們可以通過在陽臺種植喜歡的植物來豐富自己的居家生活，轉移焦慮，陶冶情操，緩解心理壓力，從而保持良好心理狀態[2]。目前，國內的城市建筑以高層商品房為主，大多數家庭種植植物只能選擇在陽臺，而陽臺各方面條件的限制以及種植技術等因素容易影響植物健康生長，降低植物存活率；再者，人們因為工作繁忙等原因無法花費更多的時間和精力照顧植物，很多植物因缺乏生長條件而無法存活[3]。

陽臺植物智能監測管理系統利用空氣溫濕度傳感器、空氣質量傳感器、土壤濕度檢測器、光照強度傳感器獲取植物周圍空氣的溫濕度、空氣質量、土壤的含水量、葉面的光照強度等數據，再將數據上傳至上位機，用戶可以登錄系統平臺獲取植物相關參數，并根據系統給出的建議進行相關操作，從而提高植物的存活率，讓植物會更加健康更加茁壯地生長。

1 系統設計

1.1 硬件設計

陽臺植物智能監測管理系統硬件使用ESP8266 作為主控芯片，其低功耗、緊湊設計和高穩定性可以滿足用戶的需求[4]。主控芯片ESP8266 定時采集各個傳感器的數據，再通過自帶wifi 功能，通過以太網將采集到的數據上傳到上位機。系統使用數字溫濕度傳感器芯片SHT11 獲取植物周邊空氣溫濕度。系統使用空氣質量傳感器M701A 獲取植物邊空氣質量數據，文章主要使用其測量顆粒物濃度和二氧化碳濃度的功能，根據這兩個參數確定當前植物生長的空氣質量。系統使用土壤濕度傳感器MT-10 獲取植物土壤溫濕度，該傳感器性能穩定，靈敏度高，通過測量土壤的介電常數，能直接穩定地反映各種土壤的真實水分含量。系統使用光強傳感器BH1750 獲取植物葉面光照強度，可以通過設置寄存器來改變光強分辨率。

陽臺花卉管家硬件還包括執行機構——澆水電磁閥、噴水電磁閥，控制風機電源的繼電器、控制補光燈電源的繼電器。系統的硬件結構圖1 所示。

圖1 硬件結構圖

1.2 軟件設計

陽臺植物智能監測管理系統包含上位機和下位機兩部分程序。

下位機程序運行在ESP8266 單片機上，該程序主要分為兩部分，一個是負責獲取各個探測器采集的數據，并通過以太網將數據定時上傳到上位機；另一個是負責接收來自上位機的指令，控制澆水、噴水、通風、補光的執行結構進行相應的操作。

上位機程序主要用于接收下位機上傳的數據，結合數據庫中當前植物生長所需的狀態，以及該植物之前一段時間的生長狀態數據。對當前植物生長狀態進行整體分析，給出當前植物的生長狀態信息，判斷植物各項數據是否正常，并給出相關的操作建議，如土壤濕度過低可以通過澆水功能增加土壤濕度；空氣濕度過低可以通過噴水功能增加空氣濕度等。若在用戶打開自動操作模式的情況下，系統自行根據采集到的相關數據進行分析，并得出需要進一步執行的操作，將需要執行的操作下發到下位機，下位機根據指令進行相應的操作。自動操作模式工作期間，系統定時獲取下位機數據，一旦相關數據滿足植物生長環境的需求，則通知下位機停止當前操作。上位機軟件流程圖如2 所示。

圖2 上位機軟件主流程圖

2 功能模塊

2.1 用戶登錄

為防止他人誤操作保護個人隱私，軟件在使用前需要進行注冊。注冊完成過，可以在登錄界面登錄進入系統。在用戶登錄過程中，系統會自動檢測用戶賬號密碼是否匹配。若賬號不正確，系統會給出提示，并登錄不成功；賬號正確才會登錄成功。為了區分正常人和機器的操作，攔截惡意操作行為，系統設置了驗證碼。

系統登錄完成后，用戶需要手動登記當前花盆里的植物名稱，并填寫當前植物的一些基本信息，方便系統對當前植物的生長狀態預處理。

2.2 觀察植物基本數據

系統利用空氣溫濕度傳感器、空氣質量傳感器、土壤濕度檢測器、光照強度傳感器獲取植物生長的相關數據，并將相關數據直觀顯示出來。當用戶登錄進入系統后，可以在系統主界面看到不同植物當前的環境數據：空氣的溫濕度、空氣質量、土壤含水量、葉面的光照強度以及植物當前的生長狀態。系統主界面如圖3 所示。

圖3 陽臺植物智能監測管理系統主界面

空氣溫度：植物生長的每一個過程和時期都會受到空氣環境溫度的影響，適宜的溫度可以促進植物的生長，讓植物長得更加茁壯。空氣環境溫度過高或過低都會導致植物生長緩慢，影響植物生長發育，嚴重時直接會導致植物死亡。

空氣濕度：空氣濕度對植物的生長發育影響較大，植物的蒸騰作用會受到空氣濕度的影響。蒸騰作用可以加速植物水分的吸收，也可以加速植物礦物質的運輸，促進植物的生長?？諝鉂穸冗^大則會抑制蒸騰作用，有利于病菌的生長，引起病蟲災害；空氣濕度過低會影響植物的光合作用進而影響植物的生長。

土壤水分：土壤水分是盆栽植物吸收水分的主要來源，土壤水分的含量會直接影響植物的生長狀態，它是維持植物健康生長的重要條件。土壤水分過多，容易導致植物生長緩慢以及植物黃葉、徒長，長時間的土壤潮濕會滋生有害細菌，降低土壤的透氣性，最終造成植物根部腐爛，枯萎死亡。土壤水分含量過少，植物的根部無法吸收足夠的水分，無法滿足植物正常生長所需的水分，會導致葉面脫水，如果長時間缺水，植物會干旱枯萎。

光照強度：沒有光照，植物就無法進行光合作用，從而影響植物的生長。不同植物對光照強度的需求也是不一樣的，即使是同一種植物，在不同生長階段所需要的光照強度也是不一樣的。適宜的光照強度是植物健康生長必不可少的條件，特別一些喜陽的植物，為植物提供充足的光照強度至關重要。如果陽光不足，則植物生長就會受到影響；如果光照過長或過強，會導致植物葉面曬傷，嚴重時還會曬死植物。

植物生長狀態：根據當前傳感器收集的植物各類相關數據，系統會自動分析當前植物周圍空氣的溫濕度、空氣質量、土壤含水量、葉面光照強度相關數據，并給出植物當前的生長狀態以及建議相關操作：正常、建議噴水、建議澆水、建議通風、建議補光。

2.3 操作功能

澆水：在種植過程中，澆水量是植物生長存活的關鍵。通過澆水可以增加植物土壤水分，維持植物生長所需的水分。不同季節不同品種植物生長期間對水需求量是不一樣的，系統會根據植物種類、花盆的大小、植物的生長階段、不同季節等各方面因素并結合傳回來的基本數據，給出實施澆水的建議，以保證植物生長過程中必要的澆水量。系統會自動分析當前植物缺水狀態，同時會在主界面直接顯示。如果用戶打開自動澆水的功能，系統會自動對植物澆水，當土壤濕度達到要求會自動關閉澆水。同時用戶也可以根據自己的需求手動點擊澆水按鈕進行澆水。

噴水：在種植過程中，通過噴水可以增加空氣的濕度，特別在秋冬季節氣候比較干燥的時候。在植物幼苗時期也要多注意噴水的次數，確保植物生長的空氣濕度。若是一些生長期間需要大量水分的植物，經常噴水也可以促進植物快速生長。系統會根據植物的生長特性，結合傳回來的基本數據，給出實施噴水的建議，以保證植物對水分的需求。系統會自動分析當前植物周圍空氣環境濕度，同時會在主界面直接顯示當前空氣濕度。如果用戶打開的自動噴水的功能，系統會自動對植物葉面和周圍空氣主動噴水，當周圍空氣濕度達到植物生長要求后會自動關閉噴水。同時用戶也可以根據自己的需求手動點擊噴水按鈕進行噴水。

通風：在種植過程中，通風不好會導致植物周圍二氧化碳濃度偏低、周圍空氣濕度高，細菌繁殖快，長時間通風差會抑制植物生長，導致植物病菌感染直至枯萎死亡。系統對植物周圍的空氣質量數據進行分析后，會給出是否需要通風的建議。如果用戶打開的自動通風的功能，系統會打開風機，增強通風，一段時間后再關閉風機。用戶也可以設置定時通風，系統會在指定的時間打開風機進行通風。

補光：在種植過程中，光照會直接影響植物生長，不同的植物對光照有不同的需求，系統在獲取光照數據后，會根據植物對光照的需求，給出是否需要對植物進行補光操作。如果用戶打開的自動補光的功能，系統會自動打開補光燈，增強光照，當光照時間滿足植物需求后，自動關閉補光燈。用戶也可以設置定時補光，系統會在指定的時間打開補光燈給植物補光。

3 結論

本文設計的陽臺植物智能監測管理系統能夠實現對植物生長基本數據的采集，并將采集到的數據通過以太網傳輸到上位機，上位機根據采集到的基本數據，對當前植物生長的環境進行分析，及時提醒用戶當前需要對植物進行哪種操作，也可以自動對植物進行澆水、噴水、通風、補光等操作。在種植植物過程中，該系統可以幫助人們提高植物的存活率，減少人們在種植過程中需要花費的時間和精力，緩解人們的工作壓力，提升人們的生活質量，同時也具有較好的應用價值。