微生態花園控制系統設計

駱雪匯 紀正輝 覃沛泳 李敏濤

（廣州工程技術職業學院，廣東廣州 510075）

0 引言

隨著城市生活節奏越來越快，都市白領人群也越來越多地希望綠色微生態能夠進入自己的家庭陽臺空間，開始更多地從生態角度改善自己的生活環境。

當前物聯網技術的應用，使得生態空間的控制技術朝人工智能化方向迅速發展[1]。新技術的應用使得微生態陽臺花園的管理通過智能自動化系統實現了實時控制，代替了原有落后的開關按鈕控制的管理方式[2]，在當前已經成為智能家居市場的主流需求[3]。這樣都市忙碌的白領人群就可以不必耗費過多的時間與精力去管理家庭花園生態系統，也不用花大量精力去學習養魚、綠植養護的知識技能，更不用去請專人管理維護，直接使用智能綠植養護陽臺系統就可以實現養護一體化。

1 系統總體框架設計

微型生態花園控制系統基于現實背景[4]設計，以STM32F407ZGT6單片機為核心控制器，通過μC/OS-Ⅲ實時操作系統和TFT-LCD主控顯示屏設計出便捷友好的用戶界面，實時顯示環境參數信息。系統采用成熟的物聯網技術進行通信連接，用戶可以通過機智云和手機App連接，實現云端傳輸數據功能。系統總體設計框架如圖1所示。

圖1 系統總體設計框架

硬件是控制系統的基礎和核心，因為其不僅直接影響到系統的穩定性、準確性、快速性及能耗等，還在一定程度上決定了系統的上限。總之，系統硬件的設計是非常關鍵的部分。微生態花園控制系統的硬件主要以STM32F407ZGT6單片機為控制核心板，搭載TFT-LCD觸摸顯示屏、OV5640-720P高清攝像頭、Wi-Fi模組等。其中DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器組成檢測功能模塊，用來檢測微生態花園的溫濕度和土壤濕度等環境參數。

2 自動灌溉系統

自動化灌溉系統首先為自動化灌溉區域規劃做準備。由于自動灌溉系統的工作原理，一組路徑在同一時間只能以一個頻率自動灌溉，因此采取以下措施區分灌區的草種習性。例如，多年生鐵線蓮、月季之類，不耐澇、不耐高溫的可以劃分成一組，灌水的持續時間可以設置得短一些，頻率可以低一些；而藍雪花、繡球花等水生植物再分一組，灌水的持續時間設置得更長更頻繁；對于耐旱、耐高溫的沙漠玫瑰、仙人掌等植物來說，它們對水分的需求并不是很大，分為另一組，灌水的持續時間可以設置得更短一些。

系統工作中，當土壤含水量低于一定閾值時（該閾值可通過可變電阻進行調節）指示燈就會亮起，從而檢測到該區域內土壤濕度低于當前植物所適宜的濕度，單片機即可控制繼電器操作小水泵進行灌溉。

3 太陽能自動追光系統

太陽能是一種清潔的綠色能源，也是最豐富的可再生能源，是未來理想的綠色新能源，因此采用光伏發電技術將太陽能轉化為電能，用于實現系統運行的續航并節約能源。太陽能自動追光系統主要由2個步進電機以及驅動器、4個光敏電阻、1個主控芯片、1塊太陽能板構成，具體系統框架如圖2所示。

圖2 系統框架

太陽能板的方向控制能夠實現360°追光，它的4個方向分別放置4個光敏電阻，然后通過判斷對向的兩個電阻的大小控制步進電機應該往哪個方向進行轉動。為了實現通過讀取光敏電阻的阻值控制太陽能板方向，這里采用串聯分壓的方式，如圖3所示。

圖3 串聯分壓電路

ADC接單片機引腳，原理就是串聯分壓，當外界光發生變化的時候，光敏電阻的阻值發生變化，ADC讀取的就是光敏電阻分壓的數值。因為兩個光敏電阻的阻值是一樣的，那么R1和R2在光照一樣的環境下，ADC引腳所讀取到的電壓值應該是3.3/2=1.65 V，也就是說，當ADC所讀取到的電壓值在1.55～1.75 V（誤差±0.1 V）時，兩個光敏電阻所接收的光強是一樣的。因為用的是5516光敏電阻，光照越強，阻值越小，電壓也就越小，所以，當ADC讀取到的電壓值，也就是R1的電壓值大于1.75 V時，說明R2的光照強度大于R1，步進電機就會往R2方向移動，當最終讀取到的電壓值平穩在1.55～1.75 V時，步進電機才會停止移動；相反，當ADC值小于1.55 V時，步進電機就會往R1方向移動，當電壓值平穩在1.55～1.75 V時，步進電機才會停止移動。可以以同樣的辦法在另外兩個方向上設計同樣的一個串聯分壓電路，從而達到同樣的效果。

最后，太陽能板就可停留在光照強度最強的地方，然后通過光伏發電對蓄電池進行充電。

4 魚缸

魚缸主要由自動定時換水系統、自動定時供氧系統、自動定時喂食系統三部分構成，該設計可以幫助出差在外的用戶照顧魚缸里的魚類，減少用戶的擔憂。

4.1 自動定時換水系統

在換水過程中依靠水位傳感器來判斷魚缸中的水是否抽完以及抽進魚缸里的水是否到達設定水位，防止水漫出來。該換水系統利用Water Sensor水位傳感器監測水位，該模塊主要是利用三極管的電流放大原理：當液位高度使三極管的基極與電源正極導通時，在三極管的基極和發射極之間就會產生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發射極之間就會產生一個一定放大倍數的電流，該電流經過發射極的電阻產生特定電壓，被AD轉換器采集。

只要設定好魚缸最大水位時ADC的值以及魚缸在被抽完水后ADC的值，然后通過繼電器控制小水泵，設定好時間，就可以進行魚缸的自動換水操作。換下來的廢水可以用于灌溉，能夠節約水資源，實現廢水的循環利用。

4.2 自動定時供氧系統

采用供氧泵在空氣中抽取氧氣，然后將導管放入魚缸中，設定好時間，就可以進行定期供氧。

4.3 自動定時喂食系統

自動定時喂食系統由步進電機、裝料器皿構成，使用起來非常方便，將魚料放進裝料器皿中，然后通過步進電機旋轉，魚料就可以經出料口送出。系統可以根據魚類數量的多少進行供料，為控制出料量，防止出料過多，出料口采用小孔設計。發送脈沖給步進電機，可使其慢速旋轉360°，當出料口位于下方時（此時旋轉180°），物料將受到重力作用，通過出料口落入魚缸中。那么只要設定好時間來驅動步進電機，就能達到自動喂食的效果。

5 寵物屋

寵物屋能夠給予寵物舒適的環境，減少病菌的侵害，保證寵物的身體健康，保護家庭的環境，更重要的是可以減輕用戶的負擔，也為微生態花園增添了一份生機。該設計主要包括監視寵物屋環境溫濕度的傳感器、空氣凈化器，還有紫外線殺菌消毒，OV5640攝像頭能夠實時監控寵物情況，以便實現遠程喂食、喂水等功能。

通過主控芯片STM32F407ZGT6控制DHT11溫濕度傳感器，將采集到的信號運算后實時顯示在TFT-LCD顯示屏上；同時，通過ESP8266 Wi-Fi芯片將數據傳輸到手機App上，用戶可以通過手機發送指令來進行相應的操作。

（1）空氣凈化器能夠有效去除空氣中的異味，還能分解空氣中的細菌，其中的負離子能夠有效捕捉空氣中的有害物質，凈化空氣。HEPA是一種高效的過濾材料，可以有效過濾空氣中的懸浮顆粒物。這是一個模塊，只要接入電源就可以正常使用。

（2）為防止細菌的滋生，寵物屋內壁上放了4個UV紫外線發光二極管，其具備殺菌和消毒的作用，利用UV紫外燈進行定時殺菌操作，可以抑制細菌的繁殖。

（3）監控系統主要由步進電機和OV5640攝像頭組成，步進電機可以使攝像頭進行360°旋轉，進而實時觀察寵物的動態和寵物屋的工作狀態；攝像頭將采集到的信息通過ESP8266芯片上傳到機智云平臺，然后在手機的人機控制界面上顯示出來；用戶可以通過手機來查看寵物當前的情況。

（4）喂食系統主要由STM32F407ZGT6主控芯片、步進電機、ESP8266 Wi-Fi模塊、OV5640攝像頭組成。用戶通過App攝像頭功能查看到寵物碗中沒有了食物，就可以通過手機App發送指令到機智云平臺，然后通過Wi-Fi模塊接收到信號，進而通過單片機控制步進電機打開閥門，食物和水就會自動加到寵物的碗里。

6 μC/OS-Ⅲ實時操作系統

μC/OS-Ⅲ系統能將需要操作的硬件實時顯示在TFT-LCD上，為使人機界面更加直觀、方便，加入圖形界面效果。由于保存的是bmp圖像，需要先連接bmp圖像的數據格式。在STM32上采集的數據格式是RGB565，方便在TFT-LCD上顯示。bmp保存在SD卡上，通過FATFS文件系統進行操作，圖片保存步驟如下：

（1）配置bmp的圖片頭信息；

（2）設置數據格式掩碼；

（3）寫入圖像數據，并使用FATFS文件系統來管理SD卡。

7 機智云物聯網平臺

首先，傳感器采集到的環境數據傳送給STM32F-407ZGT6串口與EPS8266 Wi-Fi模組連接，利用無線傳感器網絡將數據上傳至機智云云端，實現數據存儲，便于分析。并在終端顯示數據，達到遠程觀測、遠程控制的目的。

隨后進行應用開發，在機智云目錄處找到“MCU開發”，點擊“進入”，選擇“獨立MCU模式”，然后選擇正在用的單片機或開發板的芯片型號所對應的硬件平臺。

接著，在機智云官網上成功創建設備產品，機智云為該產品分配Product Key 和Product Secret 參數。Product Key參數是由開發者寫入設備MCU（設備主控板），并告知Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊登錄機智云后，機智云將會識別該Product Key的產品。Product Secret參數是App開發或服務器對接時所使用的參數。

再次，上位機App與單片機的連接。全部設計好后，到機智云的下載中心下載剛剛創建的App，之后就可以通過手機與單片機通信的ESP8266 Wi-Fi連接到同一個網絡下，然后就可以進行數據的傳輸了。

最后，用戶可以在App上發送相應指令，通過機智云平臺接收數據，與單片機相連的ESP8266 Wi-Fi接收到指令后通過控制系統實現相應操作，從而達到遠程監視和控制的目的。

8 結語

本文所述控制系統通過智能控制及物聯網嵌入式技術，實現了對陽臺微生態花園的智能化控制。在設計過程中，除了常規的溫濕度調節、追光系統、寵物屋和魚缸控制等智能操作外，還能通過改變終端傳感器應用節點，分層分級管理獲取空間參數，實現更多的智能控制功能。因此，本設計應用范圍可拓展性強，不僅可以實現陽臺微生態系統的智能調節和遠程操作，還可以采用新方法、新設計，廣泛運用于其他更多的生態環境如農業大棚、生態養殖等場景的監測和遠程控制。