王瀟楓，駱邵文，劉潤琪，楊文昌，程新玥

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北武漢，430070）

0 引言

現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展迅速，利用互聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)作物栽培智能化已成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著人們對(duì)室內(nèi)植物養(yǎng)護(hù)的重視程度加深，相應(yīng)智能化產(chǎn)品也隨之出現(xiàn)，如印度的Saini S, Kumari P[1]等人通過濕度傳感器與光照傳感器與花盆相結(jié)合，保證了植物生長所需的水量與光照，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物的實(shí)時(shí)養(yǎng)護(hù)。國內(nèi)也有許多智能植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)研究，如湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的戴師[2]等人實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控植物的濕度并計(jì)算需水量，還可以遠(yuǎn)程澆水。在物聯(lián)網(wǎng)的浪潮下，植物養(yǎng)護(hù)有著光明的前景。當(dāng)前國內(nèi)市場(chǎng)重點(diǎn)較多的偏向于對(duì)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)而忽視了對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析。本設(shè)計(jì)基于國內(nèi)相關(guān)研究，加入對(duì)采樣數(shù)據(jù)的分析和處理，致力于改善植物生長環(huán)境以獲得更健康的植株。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過傳感器監(jiān)測(cè)植物種植區(qū)的溫濕度與光照強(qiáng)度，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī),所測(cè)數(shù)據(jù)通過WiFi模塊實(shí)時(shí)顯示在手機(jī)客戶端，客戶端比對(duì)傳輸數(shù)據(jù)和植物理想生長環(huán)境指標(biāo)后為用戶提供反饋建議。

具體功能實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，溫濕度傳感器模塊DHT11及光照強(qiáng)度傳感器模塊BH1750以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長環(huán)境的監(jiān)控。硬件系統(tǒng)通過UART和IIC協(xié)議獲取數(shù)據(jù)，STM32控制WiFi模塊ESP8266實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸。硬件系統(tǒng)將各模塊數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)客戶端。軟件系統(tǒng)通過TCP協(xié)議獲取傳輸數(shù)據(jù)，使用Android Studio設(shè)計(jì)的安卓APP可以將所得數(shù)據(jù)顯示在主界面。用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物生長處的溫濕度與光照強(qiáng)度?？蛻舳烁鶕?jù)植物適宜的生長環(huán)境進(jìn)行分析運(yùn)算，提供養(yǎng)護(hù)建議供用戶參考。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件部分通過傳感器模塊進(jìn)行溫濕度與光照數(shù)據(jù)的獲取，再通過WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。軟件部分在Android App搭載TCP服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能，為用戶監(jiān)護(hù)植物生長提供便利，比對(duì)植物生長參數(shù)與理想環(huán)境參數(shù)并提供反饋意見。用戶還可通過軟件遠(yuǎn)程為植物補(bǔ)光。

如圖2所示，STM32所連溫濕度傳感器、光照傳感器、WiFi模塊以及補(bǔ)光裝置搭載在格架上，格架裝配了遮陽網(wǎng)和防雨罩以便用戶減少植株受光程度并能起到擋雨作用。

圖2 系統(tǒng)實(shí)物展示圖

2.1 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1.1 系統(tǒng)硬件電路圖

WiFi模塊使用串口USART3完成與單片機(jī)的通訊，USART3_RX對(duì)應(yīng)PB11連接ESP8266的TXD，USART3_TX對(duì)應(yīng)PB10連接RXD。溫濕度傳感器DHT11通過GPIO口PC5向單片機(jī)傳輸溫濕度數(shù)據(jù)。光照傳感器BH1750通過IIC協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，時(shí)鐘線SCL連接PB6,數(shù)據(jù)線SDA連接PB7。

2.1.2 數(shù)據(jù)無線傳輸功能

數(shù)據(jù)無線傳輸通過STM32與WiFi模塊ESP8266相連實(shí)現(xiàn)。該模塊可搭載軟件應(yīng)用，或利用其他應(yīng)用處理器裝載Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)功能。

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖

ESP8266模塊通過AT指令集完成配置[3]。用“AT+CWMODE=1”指令將ESP8266模塊配置為station模式，用“AT+RST”指令讓 WiFi模塊重啟，用“AT+CIPMUX”指令設(shè)定為單路連接方式，用“AT+CWJAP”指令讓模塊連接路由，用“AT+CIPSTART”指令建立 TCP連接，“AT+CIPMODE”與“AT+CIPSEND”指令實(shí)現(xiàn)WiFi模塊在透?jìng)髂Ｊ较掳l(fā)送數(shù)據(jù)[4]。

2.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)獲取功能

本系統(tǒng)選用數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器DHT11模塊測(cè)量溫濕度，該溫濕度傳感器可輸出校準(zhǔn)后的數(shù)字信號(hào)。

DHT11的數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和，數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位[5]。

2.1.4 光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)獲取功能

該系統(tǒng)選用BH1750模塊作為測(cè)量光照強(qiáng)度的傳感器，輸入光范圍1-65535lx。BH1750通過IIC實(shí)現(xiàn)通訊，IIC通信是由時(shí)鐘線(SCL)和數(shù)據(jù)線(SDA)組成。BH1750有5個(gè)引腳，其中VCC腳為電壓源正極；SCL為IIC時(shí)鐘線，是時(shí)鐘輸入引腳，其時(shí)鐘信號(hào)由MCU輸出；SDA為IIC數(shù)據(jù)線，為雙向IO口，用于傳輸數(shù)據(jù)；ADDR為IIC地址線，當(dāng)接不同的源時(shí)地址線對(duì)應(yīng)器件地址不同，ADDR接GND時(shí)地址為0100011，ADDR接VCC時(shí)器件為1011100；GND為接地引腳。

時(shí)鐘線輸出方波脈沖，數(shù)據(jù)線傳輸“1”或者“0”數(shù)據(jù)，連續(xù)傳送8次，組成一個(gè)8位的二進(jìn)制數(shù)即一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。時(shí)鐘信號(hào)由STM32引腳輸出，數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)BH1750與STM32的雙向傳輸。STM32通過預(yù)設(shè)的器件地址和讀寫位判斷組成字節(jié)數(shù)據(jù)。在BH1750發(fā)送應(yīng)答位后STM32開始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)[6]。

2.1.5 STM32功能

STM32系列是專為高性能要求、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARM內(nèi)核。具有極高的性能，豐富的外設(shè)，較低功耗以及全面的技術(shù)文檔。本設(shè)計(jì)調(diào)用了STM32的外部中斷、時(shí)鐘、I2C總線、GPIO、TIM定時(shí)器、USART等硬件設(shè)施。

STM32F103xB增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM? Cortex?-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口[7]。

2.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

2.2.1 通信功能

TCP協(xié)議提供面向連接的可靠服務(wù)。目前的TCP/IP協(xié)議族中的主流socket類型為使用TCP協(xié)議的流套接字以及使用UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)套接字。

Java語言的ServerSocket 類監(jiān)聽客戶端的連接請(qǐng)求，并創(chuàng)建Socket 實(shí)例[8]。該設(shè)計(jì)中APP 建立通信終端，等待客戶端連接。TCP 連接的建立步驟如下。

①創(chuàng)建ServerSocket 對(duì)象，綁定并監(jiān)聽端口：

ServerSocket serversocket=new ServerSocket(8080);

②獲取本機(jī)IP 地址供客戶端建立連接：

int ipAddress=wifiInfo.getIpAddress();

③啟動(dòng)服務(wù)端監(jiān)聽線程：

serversocket_thread.start();

④建立連接后通過輸出輸入流執(zhí)行讀寫：

inputstream=clicksSocket.getInputStream();

outputStream=clicksSocket.getOutputStream();

⑤關(guān)閉相關(guān)資源。

2.2.2 Android客戶端功能

用戶客戶端APP界面開發(fā)主要是利用Android Studio[9]進(jìn)行開發(fā)。在Android Studio APP中，用戶界面上的所有的元素全都為View 和ViewGroup對(duì)象構(gòu)成。View是使使用的用戶能夠與之交互的一個(gè)對(duì)象。ViewGroup則是用來存儲(chǔ)其他View和ViewGroup對(duì)象的布局容器。

Activity是一個(gè)人機(jī)交互的程序，連接人和機(jī)器的操作，用法相當(dāng)于shell，在其中寫上Java代碼，從而完成想要實(shí)現(xiàn)的功能。activity_main.xml是Android界面的顯示視圖，界面中所有的配置控件都能夠在這里進(jìn)行設(shè)計(jì)。AndroidManifest.xml是主配置文件，用來配置每個(gè)組件的訪問權(quán)限。R.java是android_main.xml里控件的id號(hào)，用來在MainActivity里通過id來確定這個(gè)控件，從而做出功能處理。app:通常工程里的各個(gè)組成部分放在這個(gè)目錄中，其中res文件中存放一些圖片、layout、values等資源文件。

在頁面設(shè)計(jì)上主要使用TextView 和EditView。在android_main.xml中為TextView設(shè)置組件id，通過id我們可以在工程代碼中使用方法findViewById()獲取到對(duì)應(yīng)對(duì)象，然后進(jìn)行相關(guān)屬性的設(shè)置。

在接收信息轉(zhuǎn)遞中，使用Handler 進(jìn)行信息傳遞。Handler主要用來接收子線程發(fā)送的數(shù)據(jù), 根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)配合主線程更新UI并和UI主線程交互。用Handler發(fā)送信息，為了防止在UI主線程中處理消息導(dǎo)致其他處理工作被影響，因此在Handler的線程中來接收處理該消息。在Android App 搭載TCP服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸與顯示功能，為用戶監(jiān)護(hù)植物生長提供便利。

2.3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.3.1 植物養(yǎng)護(hù)建議功能

客戶端根據(jù)對(duì)所測(cè)環(huán)境溫濕度和光照數(shù)據(jù)與用戶植物理想生長環(huán)境進(jìn)行比對(duì)分析，向用戶提出關(guān)于澆水的頻率、擺放位置的選取等實(shí)用性較強(qiáng)的植物養(yǎng)護(hù)建議。

如圖4所示，手機(jī)客戶端可以顯示植物當(dāng)前生長環(huán)境的相關(guān)狀態(tài)并給出該植物的生長建議，用戶可根據(jù)該建議及時(shí)做出改進(jìn)措.施，為植物構(gòu)建良好的生長環(huán)境。

圖4 app植物養(yǎng)護(hù)建議圖

本設(shè)計(jì)選取當(dāng)下市場(chǎng)上較為常見的部分綠植，如仙人掌、綠蘿、多肉植物、文竹等等，在數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入植物適宜的生長環(huán)境數(shù)值即光照強(qiáng)度，溫濕度以及養(yǎng)護(hù)建議等等。

如圖5所示,通過選擇植物種類，客戶端可以修改植物生長的適宜的光照強(qiáng)度和溫濕度范圍，并提供對(duì)應(yīng)的養(yǎng)護(hù)建議。

2.3.2 客戶端APP控制功能

當(dāng)客戶端APP反饋植物光照偏弱時(shí)，用戶可以用APP控制補(bǔ)光裝置的開啟，補(bǔ)充光照?？蛻舳送ㄟ^WiFi模塊遠(yuǎn)程控制STM32打開補(bǔ)光裝置，實(shí)物圖如圖6所示。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集與無線傳輸、客戶端顯示以及數(shù)據(jù)分析反饋等多個(gè)功能。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的生長環(huán)境并提供養(yǎng)護(hù)建議，方便用戶及時(shí)做出調(diào)整，確保植物處于較為健康的狀態(tài)。

該系統(tǒng)利用較低的成本實(shí)現(xiàn)對(duì)植物生長環(huán)境的監(jiān)控與信息反饋，不僅可以應(yīng)用到室內(nèi)的植物養(yǎng)植上，還可以應(yīng)用到大棚種植中。通過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步拓展就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更多種類植物的實(shí)時(shí)監(jiān)督，提高植物存活率。相信在當(dāng)今這個(gè)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，植物養(yǎng)護(hù)水平會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

圖6 補(bǔ)光裝置開啟實(shí)物圖