張棚，張子璇，楊卓，韓鳳霞

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基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)＊

張棚1，張子璇1，楊卓1，韓鳳霞2

（1.北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192；2.北京信息科技大學 機電實習中心，北京 100192）

為了滿足長時間無人照看珍貴綠植的灌溉需求，及節(jié)省溫室大棚的批量化生產(chǎn)的人力資源，開發(fā)了高效、精準、便利的遠程綠植管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以Arduino單片機為控制核心，利用溫濕度傳感器等對當前土壤環(huán)境及空間環(huán)境進行實時監(jiān)測，以調(diào)整水泵的出水時間和出水量。同時，通過藍牙模塊配合占有率最高Android手機操作系統(tǒng)，用戶可以直觀地看到各類參數(shù)并且可以手動設(shè)定澆花臨界值，以解決無人看管情況下的自動灌溉及批量綠植養(yǎng)殖的人工成本問題。

Arduino；Android；傳感器；自動澆灌

隨著科技的發(fā)展和進步，人們對居住的環(huán)境要求越來越高。在家中種植綠植不僅可陶冶我們的情操、豐富業(yè)余生活，也能凈化空氣。在日常生活中，上班族因工作、出差或旅行等原因缺少照料綠植的時間，學校辦公室、教室的花卉在寒暑假時因長時間無人定期澆水也會枯死；對于溫室大棚的苗圃種植來說，每種綠植所對應(yīng)不同的需水量，需要人們花時間思考，如何降低人工成本，實現(xiàn)收益的最大化，是亟待解決的問題。

近幾年來，國內(nèi)市場上出現(xiàn)了多種自動澆灌的設(shè)備，工作原理不盡相同，市面上自動澆灌系統(tǒng)更多用于苗圃基地等大型場所，尤其是在自動澆灌系統(tǒng)較為成熟的國外，比如Droplet系統(tǒng)，主要采用了最新的自動技術(shù)和可連接設(shè)備，并使用了云計算服務(wù)。無論在哪里，都可以通過智能手機、平板或者電腦等連網(wǎng)設(shè)備對 Droplet系統(tǒng)進行控制和配置。但相比于中小型苗圃種植者來說，這樣的澆灌系統(tǒng)較為昂貴，而且噴灌的方式也不適合家庭綠植所處的狹小空間。

目前，市場上可供選擇的新型澆花系統(tǒng)在參數(shù)獲取方面做的非常精確，在網(wǎng)絡(luò)連接方面采用WiFi、Zigbee等模塊實現(xiàn)與網(wǎng)頁、手機等的配合，并且一些系統(tǒng)還能運用到智能農(nóng)業(yè)當中。但目前國內(nèi)較少使用Arduino進行核心控制，并且在人機交互等方面還存在著很多不足，無法滿足日益增長的客戶需求。基于目前的澆灌系統(tǒng)存在的一些問題和缺陷，需要設(shè)計一款可以讓用戶很直觀地獲得各種監(jiān)測數(shù)據(jù)并且能夠遠控制的智能澆灌系統(tǒng)。基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)則滿足要求。

1 設(shè)計思路

本文所設(shè)計自動澆灌系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個方面，硬件系統(tǒng)主要由以Arduino為控制核心的傳感器組和以水泵為主的澆灌執(zhí)行系統(tǒng)組成，包括Arduino UNO開發(fā)板、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、光強檢測模塊、水位監(jiān)測模塊、藍牙模塊、澆灌執(zhí)行模塊等。軟件系統(tǒng)則依靠Google公司專門開發(fā)的一款圖形化編程軟件App Inventor搭建，在Android系統(tǒng)中依靠藍牙模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 硬件設(shè)計

2.1 Arduino MEGA2560

隨著單片機性能的不斷提高，市面上可供選擇的單片機種類也越來越多。相比于價格昂貴并且適用于Linux系統(tǒng)的Raspberry Pi主板來說，Arduino UNO具有極強的開發(fā)性，可以在Windows、Macintosh OS X、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行，而其他的大多數(shù)控制器只能在Windows上開發(fā)。

Arduino MEGA2560的核心是有54個數(shù)字I/O接口和15個模擬量I/O接口的ATmega2560單片機，并且其軟件部分Arduino IDE基于processing IDE開發(fā)，是一個完全開源的平臺。在USB供電或者外部直流電源供電的條件下能支持3.3 V及5 V輸出。

Arduino MEGA2560開發(fā)板如圖2所示。

2.2 藍牙模塊

藍牙模塊采用SH-HC-06模塊。該模塊采用英國CSR公司芯片，兼容市場上的HC-06模塊，遵循藍牙V2.0+EDR藍牙規(guī)范，最高傳輸速率可達2.1 M，傳輸距離超過20 m。本模塊支持UART接口、SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、收發(fā)靈敏、性能高等優(yōu)點，只需要配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)較強的功能。在軟件方面，支持AT指令，用戶可以根據(jù)需要使用AT指令更改串口波特率、設(shè)備名稱、配對密碼等參數(shù)，使用靈活。

圖2 Arduino MEGA2560開發(fā)板

2.3 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊采用DHT11溫濕度傳感器。該模塊功耗低且抗干擾能力強，具有超長的信號傳輸距離和長期的穩(wěn)定性，單線制串行接口使系統(tǒng)集成簡單快捷，滿足家庭綠植所處環(huán)境中的溫濕度檢測需求。在工作時，Arduino核心控制器發(fā)送信號，DHT11由低功耗狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贍顟B(tài)，采集當前狀態(tài)的各參數(shù)量，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送?？刂贫碎_始接收并保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，用戶能夠通過手機軟件直觀看到綠植所處環(huán)境中的相應(yīng)參數(shù)值。

2.4 光強度檢測模塊

光強度檢測模塊采用光敏二極管。光敏二極管對環(huán)境光強最敏感，可用于檢測周圍環(huán)境的亮度和光強，在環(huán)境無光或光強達不到設(shè)定閾值時，對外輸出高電平，反之則輸出低電平。光敏二極管通過一個引腳和Arduino MEGA2560的一個I/O口相連，單片機從而獲得環(huán)境光照強度值。由于不同植物對光照強度的敏感程度不同，在控制端接收并保存光照強度參數(shù)后與設(shè)定的閥值相比，再結(jié)合溫濕度后做出是否能澆灌的決定。

2.5 水位監(jiān)測模塊

水位監(jiān)測模塊采用Water Sensor水位傳感器，Water Sensor水位傳感器的工作溫度為10～30 ℃，工作濕度為10%～90%無凝結(jié)。該傳感器是通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量所處環(huán)境中水量大小而判斷水位。在完成水量到模擬信號的轉(zhuǎn)換后，輸出的模擬值直接被Arduino開發(fā)板讀取，如果得到的水位低于水泵正常工作水位，為了避免水泵因為空轉(zhuǎn)而燒壞，手機軟件界面會提醒用戶水位不足以達到監(jiān)測水位目的。

3 軟件設(shè)計

3.1 手機軟件開發(fā)

手機軟件是硬件系統(tǒng)與客戶間實現(xiàn)人機交互和遠程控制的媒介，軟件界面主要包括實時參數(shù)顯示、是否達到澆灌條件判斷、人為控制澆灌選項等。手機軟件的設(shè)計通過APP Inventor完成。

手機軟件的主要功能如下：①實時參數(shù)顯示。包括實時的溫度、濕度、水位、光照強度顯示，用戶能夠很直觀地看到環(huán)境參數(shù)。②顯示是否達到設(shè)定的澆灌條件。在溫度、濕度、光照條件等都滿足，且供水充足的條件下，顯示達到澆灌條件。③人為澆灌控制。在傳感器出現(xiàn)故障，根據(jù)澆灌周期等經(jīng)驗因素判斷達到了澆灌條件時，可以人為控制澆灌。④周期性澆灌。根據(jù)用戶使用澆灌系統(tǒng)一段時間后，可以控制硬件進行周期性的澆灌。

圖3 各傳感器連接圖

3.2 系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括溫度檢測、濕度檢測、光照強度檢測、水位檢測及藍牙數(shù)據(jù)傳輸。其中，土壤濕度值的檢測關(guān)鍵點，是通過對其實時值的采集、處理，然后與設(shè)定的閾值進行比較，進而決定是否控制水泵進行澆灌。溫度值和光照值的采集主要從生物的角度考慮，較高溫度或較低溫度條件下，以及較強光照條件下，澆灌都不利于植物的生長，所以，可以通過人為設(shè)定閾值范圍，從而進行判斷。水位傳感器檢測供水是否充足以保護水泵。

4 結(jié)束語

由于每種綠植在不同環(huán)境參數(shù)下的水分需求量不同，本系統(tǒng)主要針對于一種或一類的植物進行精確澆灌以達到科學種植的目的。通過Android系統(tǒng)將Arduino單片機讀取到的各類參數(shù)可視化地呈現(xiàn)在軟件界面，能夠在用戶不在的條件下更好地管理家庭綠植。通過大量實驗證明，本文設(shè)計的基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)，可從環(huán)境和用戶兩方面考慮實現(xiàn)在無人的條件下達到自主澆灌的目的，并且可以根據(jù)用戶的設(shè)置實現(xiàn)周期性的澆灌，具有較好的開發(fā)價值。

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張棚（1997—），男，四川成都人，本科，研究方向為機械電子工程。

大學生科研訓練項目“基于Arduino的物聯(lián)網(wǎng)智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)”（編號：5111823104）

2095－6835（2019）02－0030－02

TN92

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.02.030

〔編輯：張思楠〕