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基于STM32的智能盆栽管家系統(tǒng)設計與應用

2022-08-11 09:01:22姚文俊黃慶南紀泓良譚夏連
農(nóng)技服務 2022年7期
關(guān)鍵詞:土壤濕度盆栽溫濕度

姚文俊,黃慶南,馮 斌,紀泓良,譚夏連

(廣西科技大學,廣西 柳州 545001)

近年來,我國小型盆栽種植規(guī)模持續(xù)擴大,據(jù)2016年全國花卉產(chǎn)業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示,2016年全國花卉種植面積達133萬hm2,銷售額1 389.70 億元,出口額達6.17 億美元。2019年我國盆栽銷量僅蝴蝶蘭這一種類就達6 000 萬~7 000 萬株,由此可見盆栽市場具有較好前景[1]。許多科研人員也競相投入智能盆栽研究中[2-3]。智能花盆既是智能家居的一部分,也是智能農(nóng)業(yè)的一個分支,其可以通過網(wǎng)絡將人與物,物與物聯(lián)系,以智能化的方式養(yǎng)護植物[4]。

我國市場上的智能花盆多采用傳統(tǒng)澆灌器械,主要為定時澆灌的智能花盆,澆水時不能根據(jù)植物的生長環(huán)境對其進行合理灌溉,在戶外養(yǎng)殖情況下,即使是雨天,傳統(tǒng)的智能花盆也會自動對盆栽進行澆水,造成一定的水資源浪費并會導致綠植(花卉)的死亡。此外,一些智能花盆僅有監(jiān)測功能,只能提醒人們手動澆灌。為解決目前市場上智能花盆存在的問題,基于STM32 單片機設計智能盆栽管家系統(tǒng),該系統(tǒng)以STM32 為控制核心,通過土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器采集盆栽的含水量,環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù),同時借助WIFI將數(shù)據(jù)信息發(fā)送到機智云端,將監(jiān)測[5]與智能澆灌[6]結(jié)合在一起。對不同種類的盆栽可調(diào)節(jié)其灌溉水量,并根據(jù)環(huán)境變化對植物進行自動澆灌,在保證綠植花卉健康生長的情況下,兼顧節(jié)約水資源的目的。

1 總體設計

智能盆栽管家系統(tǒng)采用STM32 單片機作為主控終端,通過溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器采集數(shù)據(jù)后,經(jīng)過單片機內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理,通過ESP8266WIFI 模塊上傳到機智云端。用戶可在OLED 屏幕直接觀看植物當前的狀態(tài)信息,也可通過手機移動端程序查看[7]。同時系統(tǒng)能根據(jù)實際的植物種類,自定義澆灌水量參數(shù),實現(xiàn)遠程手動或智能澆灌[8-10]。

系統(tǒng)主要分為硬件部分和軟件部分。其中硬件部分包括STM32 單片機、土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器、ESP8266WIFI 模塊以及灌溉裝置。軟件部分由STM32 芯片程序與移動設備程序共同構(gòu)成。系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

圖1 智能盆栽管家系統(tǒng)的總體架構(gòu)

2 硬件部分

2.1 STM32主控

系統(tǒng)基于STM32F103C8T6 核心板進行開發(fā),基本參數(shù):64 KB FLASH、20 KB SRAM(靜態(tài)隨機存取存儲器)、1個高級定時器、2 個通用定時器、2 個12 位的A-D 轉(zhuǎn)換器以及SPI 和IIC 通信接口。對比其他MCU,STM32F103C8T6 有著優(yōu)異的配置,以及更低的成本,因此選擇其作為智能盆栽管家系統(tǒng)的主控芯片。

2.2 土壤濕度檢測

為準確判斷植物當前是否缺水,需對盆栽中土壤濕度(含水率)進行測定。采用的土壤濕度傳感器型號為FC-28,由不銹鋼探針和防水探頭構(gòu)成,使用時將其插入土壤內(nèi)。土壤濕度傳感器的實質(zhì)是一個隨濕度變化而變化的可變電阻,土壤的濕度與其電阻值呈正比,利用這個關(guān)系就可以得到土壤的干濕度信息。

2.3 空氣溫濕度檢測

系統(tǒng)的溫濕度檢測部分采用數(shù)字溫濕度傳感器DHT11,其是一款復合型溫度和濕度傳感器,由感溫元器件和電阻式測濕度元器件組成,無需A-D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換就能直接輸出數(shù)字信號,在保證傳感器穩(wěn)定性和可靠性的前提下,又兼具響應速度快、抗干擾性強、性價比高等優(yōu)點。

2.4 無線通信模塊

系統(tǒng)通信部分采用正點原子的ESP-8266WIFI 模塊,其工作模式有3 種,STA 模式:模塊通過路由器連接上互聯(lián)網(wǎng),用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對設備的遠程控制。AP 模式:模塊作為熱點,實現(xiàn)手機或電腦直接與模塊通信,實現(xiàn)局域網(wǎng)無線控制。STA+AP模式:STA 與AP 模式共存,模塊既可通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng);也可作為WIFI 熱點,供其他設備連接。系統(tǒng)中該模塊工作于STA+AP 模式下,ESP8266WIFI 模塊與STM32 單片機的接線圖見圖2。

圖2 ESP8266WIFI與STM32接線圖

2.5 澆灌系統(tǒng)

系統(tǒng)的澆灌部分由一個6 V 的小型抽水泵與5~12 V繼電器組成。工作時,應給繼電器輸入5 V的供電電壓,并使其工作于低電平觸發(fā)狀態(tài)[11];抽水泵的正極與繼電器的常開觸點連接在一起(圖3),當土壤濕度低于一定值時,單片機將得到信號,通過I/0 口輸出一個低電平,使得繼電器吸合在一起,公共端與常開觸點導通,從而使抽水泵開始工作。

圖3 澆灌系統(tǒng)簡易仿真電路

3 軟件部分

3.1 STM32主控程序

STM32 程序以C 語言進行編寫,方便閱讀與調(diào)試,整個程序分為土壤濕度采集、空氣溫濕度采集、ESP8266WIFI 通信三大模塊,STM32主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程

土壤濕度采集模塊主要是讀取土壤傳感器的模擬量輸出數(shù)據(jù),并通過STM32 內(nèi)置的12 位ADC 通道轉(zhuǎn)換,將模擬量變?yōu)閿?shù)字量,根據(jù)土壤的濕度與傳感器電壓輸出呈正比關(guān)系,利用公式:(傳感器當前輸出電壓值/傳感器輸出最大電壓值)×100%,即可得到土壤的濕度值。

空氣溫濕度采集模塊是將溫濕度傳感器里的溫度和濕度分別讀出,DHT11 的數(shù)據(jù)格式:8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗和,一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 位,高位先出。數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗,有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

ESP8266WIFI 通信模塊是整個程序配置的重點,首先需要通過AT 指令AT+CWMODE=3 將工作模式設置為STA+AP 并對其燒錄機智云固件,燒錄成功后即可通過路由器連接上網(wǎng)絡。最后,利用串口通信方式,將創(chuàng)建好的電池電壓、土壤濕度值、空氣溫度/濕度等數(shù)據(jù),定時自動上傳到機智云端并讀取云端指令。

3.2 移動設備程序

系統(tǒng)在機智云demo 開源APP 的基礎(chǔ)上進行修改,在用戶登錄成功后,可進入“我的設備”進行綁定盆栽,綁定完成后(圖5)可以查看盆栽當前的環(huán)境信息、電池電壓情況。此外,用戶可以根據(jù)需求開啟“澆水”功能,STM32 單片機在接收云端指令后將會導通繼電器,對盆栽進行澆灌。選擇“自動模式”,系統(tǒng)將會結(jié)合當前土壤的濕度、環(huán)境溫濕度以及用戶定義參數(shù)進行智能澆灌。

圖5 程序APP界面

4 系統(tǒng)測試

將系統(tǒng)的土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、OLED 屏幕以及ESP8266WIFI 模塊引腳分別與STM32 上相應的I/O 口進行連接,繼電器的控制管腳連接到PB5 上,開關(guān)與水泵連接。連接好系統(tǒng)的硬件后,即可開機測試。在室外條件下,先對系統(tǒng)的澆灌功能進行測試,通過軟件將澆灌命令設置為土壤濕度的40%,當土壤濕度達到80%后停止?jié)补?,測得的數(shù)據(jù)如表1所示,即系統(tǒng)在土壤濕度(40±1)%時澆灌開啟,當土壤濕度達到(80±3)%時停止?jié)补?,澆灌系統(tǒng)達到基本預測目標且在1 min內(nèi)濕度值逐漸趨于穩(wěn)定。

表1 澆水后1 min內(nèi)土壤濕度值變化情況 %

隨后將土壤濕度傳感器插入盆栽土壤中,每隔1 h 對盆栽的信息進行記錄,以精度較高的數(shù)字測量工具測得的值作為實際測量值,最終測試結(jié)果如表2所示。經(jīng)計算,系統(tǒng)對土壤濕度測量的值與實際值的平均誤差為2.27%,空氣溫度、濕度測量值與實際值的平均誤差分別為7.02%和3.43%,均在誤差允許范圍內(nèi),測量值可信度較高。

表2 智能盆栽管家系統(tǒng)測試結(jié)果

5 小結(jié)

基于STM32 設計的智能盆栽管家系統(tǒng),通過各類傳感器實現(xiàn)了對盆栽土壤濕度和空氣溫濕度信息的實時監(jiān)測,并采用ESP8266WIFI 模塊與機智云服務器通信以傳遞盆栽數(shù)據(jù)和用戶指令,利用手機移動APP,完成盆栽溫濕度信息的實時展示與遠程控制澆灌。經(jīng)測試,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定,能按設計目標對盆栽進行澆灌,且測量誤差較小。針對用戶的需要可以拓展pH 檢測,土壤肥力監(jiān)測等功能,在一定程度上節(jié)約了水資源,實用性強,具有廣闊的應用前景。

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