室內盆栽智能澆灌系統的設計

胡軒亭，劉虹羚，黃聰賢

（南京科技職業學院 電氣與控制工程學院，江蘇 南京 210048）

0 引 言

在室內擺放植物盆栽可以起到美化裝飾環境、凈化空氣的作用，但當人們長時間不在室內或疏于管理時，植物會因缺水甚至干枯死亡，因此設計一種用于室內盆栽的智能澆灌系統，具有重要的實際意義。目前，國內的室內智能澆花系統主要基于51單片機控制，能夠依據植物土壤濕度情況而控制水泵開啟或關閉，并通過LCD顯示屏顯示實時數據。還有相關研究提出在系統中增加溫濕度傳感器DHT11和WiFi模塊，系統采集環境溫濕度數據并發送給單片機，通過WiFi模塊實現單片機與手機APP的通信，用戶通過手機APP可以查看實時數據，并下發控制指令，實現手動控制。

基于此，本文提出一種新型室內盆栽智能澆灌系統，首先對系統總體設計方案進行分析，然后結合系統硬件電路設計、軟件系統設計等方面介紹系統的功能。

1 系統總體方案設計

如圖1所示，系統采用STM32單片機作為微控制器，太陽能模塊為系統提供電源。傳感器組包括YL-69土壤濕度傳感器和DHT11環境溫濕度傳感器，傳感器電源控制模塊實現單片機對傳感器組供電時間的控制，定時采集數據，采集頻率可調，節約能源。傳感器采集數據后在LCD液晶顯示屏實時顯示，并通過WiFi模塊發送給云平臺，云平臺與手機APP交互，APP里可以顯示傳感器數據并控制澆灌。

圖1 系統組成框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊

本系統選用意法半導體公司的STM32F103VET6芯片作為微控制器，芯片可以工作在-40～105 ℃的溫度范圍，且支持低功耗模式，最高工作頻率可達到72 MHz。該芯片具備模數轉換功能，可以直接讀取土壤濕度傳感器輸出的模擬量數據，同時芯片的USART接口可以直接與WiFi模塊連接。

2.2 WiFi傳輸模塊

WiFi模塊采用USR-C322芯片，它是濟南有人物聯網推出的一款C32系列高性能WiFi模塊。該模塊基于ARM Cortex-M4內核，運行頻率為80 MHz，支持WiFi @2.4 GHz 802.11 b/g/n無線標準。本系統中設置模塊組網方式為STA模式。通過AT指令，能夠對USR-C322進行工作模式、網絡端口、傳輸協議等方面的配置。模塊由3.3 V電源供電，UART引腳連接STM32單片機，外圍電路主要包括供電電路、按鍵重啟電路、按鍵復位電路和LED工作指示燈電路。

2.3 按鍵模塊

按鍵模塊設置有啟動按鍵、模式設置按鍵和增減按鍵，其中模式設置按鍵可以選擇設定土壤濕度閾值模式，按鍵按下一次設定上限值，按鍵連續按下兩次設定下限值，增減按鍵可以分別對設定值進行增1或減1的設置。當傳感器檢測到土壤濕度小于下限值時，單片機控制繼電器，驅動電磁閥動作，實現自動澆灌，當土壤濕度大于上限值則停止澆灌。

2.4 傳感器電源控制模塊

STM32單片機通過傳感器電源控制模塊實現對傳感器組電源供電時間的控制，如圖2所示，電路由三極管2N3904、MOS管AO3401、分壓電阻、二極管等部分組成。VIN為太陽能模塊輸出電壓，VCC連接傳感器電源引腳，單片機引腳PD12經限流電阻連接2N3904的基極，VIN連接AO3401的源極。當單片機引腳輸出高電平時，三極管Q2導通，AO3401的柵極相當于接地，此時MOS管導通，將電壓VIN連接到VCC端，向傳感器組供電。根據四季氣候和植物種類不同，單片機可以調整傳感器組模塊供電時間，改變傳感器數據采集頻率，從而控制澆灌頻率。

圖2 傳感器電源控制模塊

3 系統軟件設計

軟件程序設計主要包括單片機程序設計、云平臺設計和手機APP設計。單片機程序需要實現兩個功能：一是定時開啟傳感器電源，采集傳感器數據并完成數據解析，判斷是否需要澆水，從而控制繼電器動作驅動電磁閥進行自動澆灌的主流程功能；二是通過WiFi模塊與云平臺進行數據交互的功能。系統主流程如圖3所示。

圖3 系統主流程

傳感器數據通過WiFi模塊上傳到云平臺，云平臺設計主要實現接收數據、數據校驗過濾和數據分析存儲的功能。目前市場上有很多物聯網平臺可供使用，例如阿里云平臺、中國移動OneNET 物聯網開放平臺等。系統選用阿里云平臺建立數據中心。手機APP采用Android Studio平臺開發，包括APP程序設計和APP界面設計。APP發送控制指令到云平臺，再通過WiFi模塊發送指令到微控制器，在APP界面可以看到指令發送成功或失敗的結果反饋，也可以顯示當前傳感器的數據。

4 結 語

本文設計了一種室內盆栽智能澆灌系統。該系統采用太陽能供電，低碳環保；并且根據四季氣候和植物種類不同，可以調整澆灌頻率。用戶通過手機APP可以隨時隨地對植物盆栽進行監測和遠程控制澆灌，即使出門在外也可以享受澆花樂趣。系統目前設計適用于家庭室內盆栽的智能管理，亦可用于農業和園林業，例如大棚農作物的智能澆灌、溫室景觀植物的智能澆灌等，能適應多種模式的應用場景，具備一定的拓展性，發展前景良好。