基于單片機(jī)綠植養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孟磊，王冉，劉佳

(1.西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安，710032；2.西安科技大學(xué)，陜西西安，710054）

植物智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)和智能農(nóng)業(yè)、微循環(huán)系統(tǒng)聯(lián)系緊密，本文重點(diǎn)研究基于單片機(jī)的綠植養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，使人們可以將綠植帶回家將好心情帶回家，在環(huán)境問(wèn)題岌岌可危、水資源嚴(yán)重匱乏、霧霾現(xiàn)象日益嚴(yán)重、全球的氣溫持續(xù)變暖的當(dāng)下，良好的家居和工作環(huán)境成為人們的苛求。而在家中、工作場(chǎng)所、娛樂(lè)場(chǎng)所、兒童經(jīng)常出入的場(chǎng)所，放置綠植花卉，可在釋放氧氣的同時(shí)吸收二氧化碳，植物還具有吸收有害氣體的作用以減少對(duì)人體的傷害，以達(dá)到凈化空氣的目的，使人身心得到放松，增加趣味性。本文所研究的綠植養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，在提高植物存活率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，所取得的研究方法和創(chuàng)新可應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、園林藝術(shù)以及微循環(huán)系統(tǒng)的控制提供了重要的研究范本[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)影響植物生長(zhǎng)的光照度、溫度、濕度等因素[1]，設(shè)計(jì)可檢測(cè)植物生長(zhǎng)因素的裝置，包括檢測(cè)電路、控制電路、報(bào)警提示以及操作界面設(shè)計(jì)等項(xiàng)目。

■1.1 主控電路方案設(shè)計(jì)

使用STC12C5A60S2 單片機(jī)最小開(kāi)發(fā)系統(tǒng)作為主控，有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，該系列單片機(jī)片內(nèi)具有大容量的FLASH 程序存儲(chǔ)器，其中應(yīng)用較為廣泛的STC12C5A60S2 單片機(jī)內(nèi)部自帶高達(dá)60K FLASHROΜ，并且STC12 系列單片機(jī)可以和8051 指令、管腳完全兼容。

■1.2 溫濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

溫度檢測(cè)采用DHT11 溫濕度傳感器，土壤溫濕度采用采用土壤濕度檢測(cè)模塊YL-69，利用安卓手機(jī)APP 控制，根據(jù)所預(yù)設(shè)的溫濕度的上限值和下限值[2]進(jìn)行繼電器的動(dòng)作控制。

■1.3 光照度檢測(cè)電路

采用I2C 總線接口的16 位光強(qiáng)度傳感器BH1750 作為感光元件測(cè)量外界的光照情況，該傳感器的工作原理是通過(guò)感光部分的光強(qiáng)度變化來(lái)調(diào)整輸出電平信號(hào)，其高分辨率的特點(diǎn)可以使其感測(cè)到1lx～65535lx 范圍內(nèi)的光照強(qiáng)度變化，感測(cè)范圍比較數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

■1.4 顯示及控制電路設(shè)計(jì)

選用開(kāi)發(fā)安卓手機(jī)APP。智能手機(jī)APP 操作控制的最大優(yōu)點(diǎn)就是使用方便，用戶可以隨時(shí)隨地了解植物所處的環(huán)境，同時(shí)也方便用戶根據(jù)情況適時(shí)控制植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)工作[3]。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示，該電路核心控制芯片選用STC12C5A60S2，主要由溫度、濕度檢測(cè)與控制模塊，光照度檢測(cè)與控制模塊,水位檢測(cè)報(bào)警模塊以及安卓手機(jī)APP 控制軟件組成。

圖1 綠植養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)整體框圖

綠植智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能如下[4]：

(1)系統(tǒng)采用STC12 單片機(jī)并進(jìn)行信息反饋；(2)采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，實(shí)時(shí)采集溫濕度數(shù)據(jù)；(3)采用土壤濕度檢測(cè)模塊YL-69，實(shí)時(shí)采集土壤濕度數(shù)據(jù)；(4)利用光強(qiáng)度傳感器BH1750，實(shí)時(shí)采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)；(5)繼電器控制水泵澆水及加濕模塊工作；(6)利用安卓手機(jī)APP顯示數(shù)據(jù)，提醒用戶當(dāng)前植物狀態(tài)，并方便用戶進(jìn)行控制。

3 系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用STC12 單片機(jī)為核心控制，基于Keil μVision4 軟件進(jìn)行編程，采用C 語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫(xiě)，主要包括單片機(jī)系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)以及各模塊子程序的設(shè)計(jì)[5]。

■3.1 主程序設(shè)計(jì)

開(kāi)啟電源，主程序進(jìn)行初始化設(shè)置，讀取BH1750 光照度傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前光照度設(shè)置的閾值是否達(dá)到植物生長(zhǎng)需求，如果沒(méi)有達(dá)到所設(shè)置閾值則說(shuō)明光照不夠，此時(shí)調(diào)用補(bǔ)光燈子程序打開(kāi)補(bǔ)光燈，如果光照超過(guò)植物生長(zhǎng)需求，則發(fā)送信息提醒需遮蔽陽(yáng)光；植物生長(zhǎng)溫度檢測(cè)模塊，系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化設(shè)置后，采用DHT11 溫濕度傳感器檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度參數(shù)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)后與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比對(duì)，如果超過(guò)溫度閾值則調(diào)用風(fēng)扇控制子程序，開(kāi)啟風(fēng)扇進(jìn)行通風(fēng)降溫，并在APP 界面中顯示當(dāng)前溫濕度值。

■3.2 光照度檢測(cè)及控制程序設(shè)計(jì)

光照度傳感器電路原理圖如圖2 所示，由光強(qiáng)度傳感器判斷植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照度是否達(dá)到閾值，根據(jù)判斷的情況選擇補(bǔ)光或者遮陽(yáng)，其控制流程如圖3 所示。

圖2 光照度傳感器電路原理圖

圖3 光照度檢測(cè)及控制流程圖

■3.3 溫濕度檢測(cè)及控制程序設(shè)計(jì)

溫濕度檢測(cè)及控制程序設(shè)計(jì)包括以下4 部分：

（1）溫濕度閾值設(shè)定

根據(jù)植物生長(zhǎng)環(huán)境研究報(bào)告中的數(shù)據(jù)參考，設(shè)定溫濕度閾值[5]。

（2）溫度采集程序設(shè)計(jì)

溫度采集控制流程圖如圖4 所示，DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器本身含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 米以上。產(chǎn)品為4 針單排引腳封裝。該傳感器含有的已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，能與8 位單片機(jī)相連。由溫度傳感器DHT11 判斷植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度是否達(dá)到閾值，根據(jù)判斷的情況選擇降溫措施[6]，電路原理圖如圖5 所示。

圖4 溫度采集控制流程圖

圖5 溫濕度采集模塊電路原理圖

（3）土壤濕度采集程序設(shè)計(jì)

土壤濕度采集控制電路原理圖如圖6 和圖7 所示，由土壤濕度傳感器判斷植物生長(zhǎng)環(huán)境的濕度是否達(dá)到閾值，根據(jù)判斷的情況選擇加濕或者澆水[7]，其控制原理如圖8 所示。

圖6 土壤探頭探測(cè)信號(hào)放大電路

圖7 土壤探頭指示接口電路

圖8 土壤濕度采集控制流程圖

（4）水位檢測(cè)程序設(shè)計(jì)

水位檢測(cè)控制流程圖如圖9 所示，由非接觸型液位傳感器判斷蓄水箱的儲(chǔ)水量，根據(jù)判斷的情況選擇加水[8]。

圖9 水位檢測(cè)控制流程圖

圖10 澆水電機(jī)控制電路原理圖

4 安卓APP 設(shè)計(jì)

綠植智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)登錄界面流程如圖11 所示，首先判斷是否聯(lián)網(wǎng)，而進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

圖11 登錄界面流程

進(jìn)入綠植養(yǎng)護(hù)控制界面如圖12 所示[9]， APP 界面設(shè)計(jì)，上部為攝像頭所采集的植物當(dāng)前生長(zhǎng)狀態(tài)圖像；圖像下部顯示該植物的名稱(chēng)、習(xí)性、溫度、澆水等狀態(tài)信息；右下角顯示當(dāng)前光照度信息為3lx，溫度20度，濕度45%，土壤濕度5；左下角顯示補(bǔ)光燈開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息。

圖12 綠植控制主界面

5 系統(tǒng)功能測(cè)試

初次使用植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)時(shí)，可點(diǎn)擊左下方綠葉鋤頭圖標(biāo)，采集植物照片，并手動(dòng)錄入植物基本信息[10]，如圖13 所示。例如名稱(chēng)：綠蘿；習(xí)性：喜陰；溫度：不低于12°C；澆水：澆透。等養(yǎng)護(hù)植物時(shí)要用到的提示信息。以便我們根據(jù)植物習(xí)性進(jìn)行養(yǎng)護(hù)控制。

圖13 綠植主控手機(jī)測(cè)試界面

可使用手動(dòng)模式，電機(jī)左側(cè)下面的三個(gè)開(kāi)關(guān)，可分別控制開(kāi)關(guān)補(bǔ)光燈，開(kāi)關(guān)加濕器，開(kāi)關(guān)澆水泵三個(gè)功能。右側(cè)四個(gè)圖標(biāo)分別為傳感器傳送回的數(shù)據(jù)，從上至下分別為光照度、空氣溫度、空氣濕度、土壤濕度參數(shù)，如圖14 所示。也可點(diǎn)擊左下方綠葉鋤頭圖案，進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，可手動(dòng)輸入自動(dòng)管護(hù)數(shù)據(jù)上下限，單片機(jī)根據(jù)所獲取數(shù)據(jù)，自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)操作。

圖14 綠植參數(shù)設(shè)置界面

6 總結(jié)

現(xiàn)存的植物智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)智能化低，多數(shù)為現(xiàn)場(chǎng)控制，而當(dāng)植物遇到緊急事件或者用戶需要短期外出時(shí)，植物因得不到及時(shí)的照顧枯萎，本文研究的遠(yuǎn)程控制證實(shí)以解決此類(lèi)問(wèn)題，為智能家居、智慧農(nóng)業(yè)的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。同時(shí)本文也體現(xiàn)了園藝技術(shù)專(zhuān)業(yè)和電氣自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的跨專(zhuān)業(yè)的結(jié)合，成功的展現(xiàn)出跨學(xué)科研究的可行性及應(yīng)用價(jià)值[11]。