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摘要:由于城市居民工作忙，生活節(jié)奏快，人們經(jīng)常忘記給植物澆水，為此設(shè)計(jì)一款基于STM32的植物澆水系統(tǒng)，主要由STM32單片機(jī)、土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、Wi-Fi模塊、水泵系統(tǒng)、繼電器以及OLED液晶顯示屏等構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)澆水和遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到土壤中的濕度較低時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)澆水系統(tǒng)澆水，直到土壤濕度達(dá)標(biāo)。同時(shí)，用戶可以通過手機(jī)App實(shí)時(shí)查看土壤濕度數(shù)據(jù)與空氣溫濕度數(shù)據(jù)、設(shè)置澆水模式等。該系統(tǒng)硬件電路成本低，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了智能澆水。
0引言
隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人民生活質(zhì)量的提高，越來越多的居民在自家陽臺(tái)種植花卉植物，以改善家中的空氣質(zhì)量并陶冶情操。但由于生活節(jié)奏較快，人們常常忘記或者無法及時(shí)給花卉澆水而導(dǎo)致花卉枯萎[1-3]。研究表明，花卉生長過程中枯萎有百分之八十是由于澆水不當(dāng)引起的，澆水不宜過多也不能過少[4],因此如何給花卉澆水是一個(gè)不可忽視的研究領(lǐng)域。但人們不一定都十分了解花卉種植，很多時(shí)候無法從花卉和土壤的表面來判斷是否需要給花卉澆水，因而自動(dòng)澆花設(shè)備是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
市場(chǎng)上已有的自動(dòng)澆花設(shè)備大多不適合家用，其價(jià)格昂貴、性能低，雖然采用了定時(shí)澆水方案，但并沒有考慮當(dāng)下花卉的生長環(huán)境和狀況，可能會(huì)產(chǎn)生澆水過多或者過少而導(dǎo)致花卉枯萎的情況[5]。為了解決以上問題，本文將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與云平臺(tái)相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款根據(jù)土壤濕度進(jìn)行澆水的植物澆水系統(tǒng)，能夠根據(jù)土壤濕度的變化自動(dòng)實(shí)時(shí)澆水，同時(shí)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控土壤的濕度及環(huán)境溫濕度信息，并將土壤濕度及環(huán)境溫濕度信息傳輸?shù)綑C(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，便于用戶在手機(jī)App上實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)
在技術(shù)高速發(fā)展的今天，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)模式已經(jīng)發(fā)生了大幅度的轉(zhuǎn)變。在傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)模式中，需要搭建一臺(tái)高性能服務(wù)器，在服務(wù)器上搭建物聯(lián)網(wǎng)后臺(tái)，把相關(guān)項(xiàng)目以及數(shù)據(jù)部署在服務(wù)器上，通過服務(wù)器向用戶提供相關(guān)服務(wù)。但是該模式存在很多問題：首先是成本問題，主要包含購買服務(wù)器、服務(wù)器的運(yùn)營等費(fèi)用，導(dǎo)致系統(tǒng)價(jià)格上升，難以推廣；其次是安全問題，服務(wù)器要預(yù)防網(wǎng)絡(luò)攻擊、停電等各種異常問題，一旦服務(wù)器出現(xiàn)問題，產(chǎn)品可能會(huì)死機(jī)。
本文選取機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，其是致力于物聯(lián)網(wǎng)、智能硬件云服務(wù)的開放平臺(tái)。平臺(tái)提供了從產(chǎn)品定義、設(shè)備端開發(fā)調(diào)試、應(yīng)用開發(fā)、產(chǎn)品測(cè)試、運(yùn)營管理等覆蓋智能硬件接入到運(yùn)營管理全生命周期服務(wù)的能力[6]。目前，機(jī)智云針對(duì)esp8266提供基本的MCU開發(fā)方案以及SDK開發(fā)方案，能夠滿足用戶的實(shí)際需求，使用簡單靈活。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)處理及控制層和數(shù)據(jù)顯示層組成。數(shù)據(jù)獲取層由土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器構(gòu)成，其中，土壤濕度傳感器能夠采集土壤濕度，溫濕度傳感器能夠采集環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理及控制層包括STM32單片機(jī)、繼電器、水泵，其中，STM32為系統(tǒng)核心部分，用于數(shù)據(jù)處理，并向繼電器發(fā)送控制信號(hào)，啟動(dòng)或停止水泵出水。
數(shù)據(jù)顯示層包括OLED液晶顯示屏、Wi-Fi模塊、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和手機(jī)App, 其中，OLED液晶顯示屏用于顯示STM32獲取的傳感器數(shù)據(jù)信息，STM32通過Wi-Fi模塊向機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)App上，同時(shí)借助手機(jī)App向STM32單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
2.1 土壤濕度傳感器硬件電路設(shè)計(jì)
選用YL-69土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度，將土壤濕度轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，單片機(jī)借助內(nèi)部自帶的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而獲取土壤濕度數(shù)據(jù)[7]。該傳感器利用土壤水分對(duì)電容值的影響來檢測(cè)土壤濕度：數(shù)值越大，說明土壤越干燥；數(shù)值越小，土壤越濕潤。在硬件電路連接時(shí)需要將土壤濕度傳感器的AO引腳與單片機(jī)的ADC輸入引腳(PA1)相連，土壤濕度傳感器的GND引腳連接到單片機(jī)的GND引腳，土壤濕度傳感器的VCC引腳連接到單片機(jī)的VCC引腳。
2.2 環(huán)境溫濕度傳感器硬件電路設(shè)計(jì)
選用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度信息。該傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，單線型串行接口，使用時(shí)需要在數(shù)據(jù)口連接一個(gè)上拉電阻(連線長度短于20 m時(shí)用5 kΩ上拉電阻，大于20 m時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的上拉電阻)[8-9]。上電后，溫濕度傳感器接收到單片機(jī)發(fā)送的相關(guān)命令，并根據(jù)接收到的不同命令反饋相關(guān)數(shù)據(jù)。在硬件電路連接時(shí)，將溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)輸出引腳與單片機(jī)的通信引腳(PB9引腳)進(jìn)行連接。
2.3 繼電器硬件電路設(shè)計(jì)
繼電器被用來控制水泵。水泵啟動(dòng)需要較大的電壓及電流，如果使用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，將影響單片機(jī)工作的穩(wěn)定性，因此采用弱電控制強(qiáng)電原理，借助繼電器進(jìn)行控制。繼電器相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，其中VCC表示電源正極、GND表示電源負(fù)極、IN表示信號(hào)輸入腳、COM表示公共端、NC(normal close)表示常閉端、NO(normal open)表示常開端，一般情況下是常閉狀態(tài)。在硬件電路連接時(shí)，繼電器連接單片機(jī)的PB13引腳。
2.4 數(shù)據(jù)顯示與系統(tǒng)通信硬件設(shè)計(jì) 2.4.1 ESP8266通信模塊硬件電路設(shè)計(jì)
ESP8266是一個(gè)成本較低的無線設(shè)備，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，可以與任何Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接，是目前比較常用的一種無線通信模塊[10]。本系統(tǒng)中的通信模塊通過串口與單片機(jī)相連，將單片機(jī)與機(jī)智云服務(wù)器連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在硬件電路連接時(shí)，將Wi-Fi模塊的LRXD引腳連接單片機(jī)串口TX(PB10),UTXD引腳連接單片機(jī)串口RX(PB11),從而實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)通信，如圖2所示。
圖2 ESP8266硬件電路連接圖
2.4.2 OLED液晶顯示屏硬件電路設(shè)計(jì)
有機(jī)發(fā)光二極管(OLED),又稱有機(jī)電激光顯示。OLED具備自發(fā)光、使用溫度范圍廣、構(gòu)造簡單等特點(diǎn)，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。雖然OLED的尺寸難以大型化，但是分辨率很高。
SSD1306是0.96英寸OLED液晶屏，滿足本系統(tǒng)需求。STM32單片機(jī)將獲取到的溫濕度信息顯示到OLED液晶顯示屏，方便用戶查看。在硬件電路連接上，STM32使用IIC通信協(xié)議連接OLED液晶顯示屏，分別連接單片機(jī)對(duì)應(yīng)的PB6(作為IIC的SCL引腳)和PB7引腳(作為IIC的SDA引腳)。
2.5 STM32單片機(jī)程序下載電路設(shè)計(jì)
選用的STM32F103C8T6單片機(jī)是一款基于Cortex-M3內(nèi)核STM32系統(tǒng)的32位微控制器。該單片機(jī)支持的程序下載方式包括串口下載和下載器下載。串口下載需要先更改硬件boot引腳連接方式，然后修改單片機(jī)的啟動(dòng)地址，即可通過串口下載程序，而下載器下載需要借助單片機(jī)的下載引腳SWD和SCLK,再使用下載器下載程序。采用串口下載方式，借助FlyMcu軟件，通過串口完成程序的下載。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 主程序設(shè)計(jì)
STM32作為主控芯片，負(fù)責(zé)程序初始化、控制及數(shù)據(jù)顯示。單片機(jī)首先獲取傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在液晶屏，使用通信模塊連接機(jī)智云平臺(tái)與手機(jī)進(jìn)行通信，再根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)實(shí)施相應(yīng)控制。當(dāng)土壤濕度傳感器檢測(cè)到土壤濕度較低時(shí)，啟動(dòng)澆水系統(tǒng)，當(dāng)土壤濕度達(dá)標(biāo)后停止?jié)菜到y(tǒng)，其中澆水系統(tǒng)的啟動(dòng)方式包括手動(dòng)和自動(dòng)2種。具體流程如圖3所示。
圖3主程序流程圖
3.2 土壤濕度傳感器程序設(shè)計(jì)
土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)獲取是通過單片機(jī)的ADC引腳獲取傳感器的電壓值，然后將獲取到的模擬電壓進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到土壤濕度信息。首先初始化ADC功能，然后打開相關(guān)ADC通道進(jìn)行數(shù)據(jù)循環(huán)采樣，流程如圖4所示。
圖4 土壤濕度傳感器程序流程圖
3.3 環(huán)境溫濕度傳感器程序設(shè)計(jì)
環(huán)境溫濕度傳感器通過單片機(jī)的IO口進(jìn)行命令的發(fā)送及數(shù)據(jù)的獲取。首先初始化與溫濕度傳感器連接的數(shù)據(jù)引腳，然后分別輸出一段時(shí)間的高低電平命令，獲取GPIO的電平信號(hào)并獲取溫濕度傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。
3.4 ESP8266通信模塊程序設(shè)計(jì)
ESP8266通信模塊通過串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，因此將該程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)串口數(shù)據(jù)收發(fā)程序。首先對(duì)串口初始化，設(shè)置標(biāo)志位，判斷串口是否產(chǎn)生中斷：如果產(chǎn)生中斷，接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)解析存儲(chǔ)；如果沒有中斷，繼續(xù)等待。程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。
4 系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用
在進(jìn)行系統(tǒng)硬件調(diào)試前，需要確保傳感器和單片機(jī)電源、傳感器與單片機(jī)的引腳連接正確。經(jīng)過硬件焊接連接的實(shí)物圖如圖7所示。
圖5 環(huán)境溫濕度程序設(shè)計(jì)流程圖
圖6ESP8266通信模塊的程序設(shè)計(jì)流程圖
圖7 基于STM32的植物澆水設(shè)計(jì)
4.1 云平臺(tái)傳輸調(diào)試
將系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，并針對(duì)Wi-Fi模塊、數(shù)據(jù)上傳和命令過程下發(fā)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試程序如圖8所示。
圖8 ESP8266調(diào)試程序
4.2 測(cè)試結(jié)果與分析
在自動(dòng)模式下，將土壤濕度傳感器放置在干燥缺水的土壤中，通過手機(jī)App可監(jiān)測(cè)到環(huán)境溫度值為26,環(huán)境濕度值為32,土壤濕度值為4036,此時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵澆水，如圖9所示。
圖9 自動(dòng)澆水調(diào)試圖
5總結(jié)
以STM32F103C8T6作為主控芯片，以及使用溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器、水泵、Wi-Fi模塊、OLED等器件，設(shè)計(jì)了一款能夠?qū)崟r(shí)采集土壤濕度信息，并在土壤干涸時(shí)及時(shí)澆水的智能澆水系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤環(huán)境的濕度，并且能定時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，使用戶能夠?qū)崟r(shí)了解環(huán)境狀況，同時(shí)用戶能夠根據(jù)環(huán)境溫濕度以及土壤濕度信息，決定是否遠(yuǎn)程打開水泵進(jìn)行手動(dòng)澆水操作。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行正常，能夠直觀地監(jiān)測(cè)到花盆土壤信息，實(shí)現(xiàn)植物的科學(xué)澆水。
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