基于Arduino的智能種植助理設(shè)計(jì)

謝偉健 駱愷翔 李翼宏

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Arduino單片機(jī)；墑情預(yù)測(cè)；植物種植；智能澆灌

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提高和消費(fèi)觀的改變，越來(lái)越多的人選擇購(gòu)買植物進(jìn)行種植，然而傳統(tǒng)的室內(nèi)種植都是人工進(jìn)行澆水，往往不能準(zhǔn)確地根據(jù)土壤濕度進(jìn)行種植，且很多人對(duì)于植物種植缺乏養(yǎng)護(hù)技巧[1]，植物難以存活，或沒(méi)有時(shí)間澆水導(dǎo)致植物枯死。

目前國(guó)內(nèi)研究方面，袁正宏[2]等人設(shè)計(jì)一款智能種植硬件，只需要將植物種植在花盆內(nèi)， 定期對(duì)該花盆內(nèi)的原料和水分進(jìn)行補(bǔ)充即可讓植物正常生長(zhǎng)。國(guó)外方面，法國(guó)知名公司帕諾特（parrot）公司[3]研發(fā)的一款智能種植硬件具有監(jiān)測(cè)光照、溫度、濕度和土壤肥沃程度以及確定這些指標(biāo)是否有助于植物生長(zhǎng)的功能，以及配備儲(chǔ)水箱進(jìn)行自動(dòng)澆水。

目前市場(chǎng)上的智能養(yǎng)花硬件雖然有澆水的功能，但澆水的方式是采用定時(shí)澆水，產(chǎn)品僅僅是解決了用戶不在家，植物會(huì)干死的狀況，并不能讓植物科學(xué)化生長(zhǎng)，也不能根據(jù)植物所需和土壤濕度狀況進(jìn)行科學(xué)化種植[4]。為解決上述問(wèn)題，保證植物科學(xué)生長(zhǎng)，該文設(shè)計(jì)了一種以墑情預(yù)測(cè)[5]為依據(jù)的智能種植硬件，可使土壤墑情保持在植物合適的生長(zhǎng)范圍[6]，有利于植物科學(xué)生長(zhǎng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能種植助理包括智能硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)，智能種植助理的核心部分是Arduino Mega2560 R3，該核心獲取傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)花盆進(jìn)行澆水等指令以及通過(guò)藍(lán)牙模塊與手機(jī)軟件進(jìn)行通信等功能。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能種植助理的硬件結(jié)構(gòu)采用ArduinoMega2560 R3為主控，由監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)、提示報(bào)警、智能澆水三個(gè)模塊組成[5]。監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)模塊下有兩個(gè)子模塊：溫濕度監(jiān)測(cè)模塊、土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊。兩個(gè)模塊將獲得到的數(shù)據(jù)反饋到手機(jī)軟件和屏幕。提示報(bào)警模塊和智能澆水模塊根據(jù)獲得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行澆水和提示植物與設(shè)備狀態(tài)。

監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)模塊可以獲取當(dāng)前的環(huán)境信息，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)置的判斷程序語(yǔ)句來(lái)選擇是否澆水。當(dāng)符合判斷程序語(yǔ)句時(shí)，單片機(jī)發(fā)出澆水信號(hào)，驅(qū)動(dòng)水泵開(kāi)始澆水，達(dá)到智能澆水的目的。

2.1 監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)模塊電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模塊分為兩個(gè)子模塊，其中溫濕度監(jiān)測(cè)模塊采用數(shù)字溫度傳感器DHT11，由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件構(gòu)成。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。土壤濕度監(jiān)測(cè)模塊采用電容式土壤濕度傳感器，該傳感器區(qū)別于市面上絕大部分的電阻式傳感器，采用電容感應(yīng)原理來(lái)監(jiān)測(cè)土壤濕度，避免了電阻式傳感器機(jī)翼被腐蝕的問(wèn)題，極大地延長(zhǎng)了它的工作壽命[6]。

2.2 智能澆水模塊電路設(shè)計(jì)

智能澆水模塊由一個(gè)2路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、一個(gè)直流電機(jī)3V的小型抽水泵組成與一個(gè)迷你DC-DC 升壓模塊組成。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的INx端接控制核心，MOTOR-A端接水泵將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊當(dāng)成開(kāi)關(guān)使用，且該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)置帶遲滯效應(yīng)的過(guò)熱保護(hù)電路（TSD） ，不用怕電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒壞，溫度下降后自動(dòng)恢復(fù)。工作時(shí)電池通過(guò)升壓模塊給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸入5V的供電電壓。當(dāng)監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)模塊將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，當(dāng)符合澆水條件時(shí)，主控核心將得到信號(hào)，通過(guò)I/O口輸出一個(gè)高電平使水泵開(kāi)始工作[7]。

2.3 提示報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì)

將監(jiān)測(cè)植物數(shù)據(jù)模塊獲取的數(shù)據(jù)以及電壓傳感器獲取電池電壓傳輸?shù)揭壕聊K，使得可以直接通過(guò)屏幕來(lái)了解植物當(dāng)前的信息、環(huán)境溫濕度、電池電量等數(shù)據(jù)[8]。

2.4 按鈕電路設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品操作采用自復(fù)式環(huán)形燈按鈕。將按鈕模塊連接主控核心，通過(guò)對(duì)按下按鈕的時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳送給主控核心相應(yīng)的信號(hào)，主控核心再將相應(yīng)的信號(hào)傳遞給對(duì)應(yīng)模塊。

3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)主要是手機(jī)軟件客戶端。手機(jī)軟件分為植物物種信息查詢和植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)兩個(gè)模塊。手機(jī)軟件與硬件通過(guò)藍(lán)牙連接，用戶可以在植物物種信息查詢模塊中查詢常見(jiàn)植物的信息。在植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可以查看當(dāng)前連接植物的生長(zhǎng)狀況和環(huán)境信息[9]。

3.1 植物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

當(dāng)手機(jī)軟件連接上智能種植助理后，就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物當(dāng)前的環(huán)境溫度、濕度、土壤濕度以及電池的電量。這些數(shù)值直觀地顯示在頁(yè)面上，方便用戶觀察植物的生長(zhǎng)環(huán)境狀況。

此外在這個(gè)界面還會(huì)展示當(dāng)前植物適宜的溫度和濕度。這些數(shù)值的顯示采用顏色和填充條來(lái)區(qū)分，讓用戶可以更加簡(jiǎn)單地了解數(shù)據(jù)。

3.2 植物物種信息查詢模塊

用戶可通過(guò)信息查詢功能了解植物的信息，例如科屬、形狀、適宜光照和溫度、澆水的方式等。

4 測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

通過(guò)土壤濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)與墑情預(yù)測(cè)估計(jì)出的澆水下限進(jìn)行對(duì)比，在低于澆水下限后驅(qū)動(dòng)水泵電路執(zhí)行澆水動(dòng)作。通過(guò)傳感器獲取數(shù)據(jù)后，讓植物維持在合適的生存環(huán)境。

4.2 軟件測(cè)試

打開(kāi)手機(jī)軟件界面，連接藍(lán)牙后，首頁(yè)出現(xiàn)植物信息則為連接成功。用戶可在首頁(yè)查看溫濕度、土壤濕度、電量以及植物適宜溫濕度等數(shù)據(jù)。還可以在查詢功能里查看植物的相關(guān)信息。

5 結(jié)論

該設(shè)計(jì)主要研究墑情預(yù)測(cè)在植物種植當(dāng)中的應(yīng)用，提出將單片機(jī)與傳統(tǒng)植物種植相結(jié)合，開(kāi)發(fā)一款智能種植硬件。該硬件經(jīng)實(shí)際測(cè)試，可適用于沒(méi)有空閑時(shí)間的家庭種植用戶，并且能為植物種植提供便利。該系統(tǒng)功能上還可以進(jìn)一步整合，例如加入語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音交互控制或采用太陽(yáng)能供能的方式提供動(dòng)力，因此后續(xù)會(huì)在這些方向進(jìn)行深入研究。