鄧?guó)櫢? 狄逸辰 費(fèi)凡 彭伊辰 李文杰 潘往麗

收稿日期：2023-09-12

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（202313987013Y）

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.07.015

摘? 要：植物的生長(zhǎng)特性多變，難以科學(xué)地照料，為了能夠適應(yīng)現(xiàn)代年輕人的快節(jié)奏生活，更便捷地觀賞植物，在對(duì)植物不同生長(zhǎng)環(huán)境所需要的光照、濕度等進(jìn)行研究后，提出了基于STM32單片機(jī)和ESP8266 Wi-Fi模塊的一整套系統(tǒng)，利用溫濕度、光照、二氧化碳模塊對(duì)植物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，使用微信小程序或者利用提前寫(xiě)入到單片機(jī)的數(shù)據(jù)來(lái)控制電機(jī)和舵機(jī)等養(yǎng)護(hù)設(shè)備來(lái)使植物生長(zhǎng)環(huán)境更適宜，能夠滿(mǎn)足植物的正常生長(zhǎng)、發(fā)育所需要的環(huán)境因素和用戶(hù)遠(yuǎn)程操控的需求，具有較好的可行性。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；家庭種植；智能；Wi-Fi模塊；溫濕度；光照強(qiáng)度

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2024）07-0063-05

Intelligent Balcony Planting System Based on Single-Chip Microcomputer

DENG Hongfu， DI Yichen， FEI Fan， PENG Yichen， LI Wenjie， PAN Wangli

（Guangling College of Yangzhou University， Yangzhou? 225000， China）

Abstract： The growth characteristics of plants are changeable and difficult to take care of them scientifically. In order to adapt to the fast-paced life of modern young people and to be more convenient for watching plants， after studying the light and humidity required by different growth environments of plants， this paper proposes a complete set of systems based on STM32 Single-Chip Microcomputer and ESP8266 Wi-Fi module. It uses temperature and humidity， light and carbon dioxide modules to detect the growth environment of plants， and uses WeChat mini programs or data written to the Single-Chip Microcomputer in advance to control maintenance equipment such as motors and servos to make the plant growth environment more suitable. It can meet the environmental factors required for the normal growth and development of plants and the needs of user remote control and it is feasible.

Keywords： STM32 Single-Chip Microcontroller; home planting; intelligence; Wi-Fi module; temperature and humidity; light intensity

0? 引? 言

得益于社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高，生活需求也已經(jīng)從溫飽升級(jí)到了精神世界的滿(mǎn)足。而在家種植一些植物不僅能夠使生活環(huán)境得到改善，也能在這個(gè)快節(jié)奏的社會(huì)中享受慢節(jié)奏的植物生長(zhǎng)的樂(lè)趣。但很多年輕人沒(méi)有那么多的時(shí)間或者總是忘記在何時(shí)維護(hù)植物的生長(zhǎng)。同時(shí)，大多數(shù)人并不了解各個(gè)植物的習(xí)性，比如何時(shí)澆水、何時(shí)給予充足的光照、土壤溫度是否過(guò)高等，這些植物的生長(zhǎng)重要條件如果不能精準(zhǔn)、科學(xué)把控，容易造成在家庭里生長(zhǎng)的植物生長(zhǎng)狀況參差不齊，所以需要一套設(shè)備來(lái)完成對(duì)植物的智能化照料，人們只需要輸入在網(wǎng)上查找的相應(yīng)的植物生長(zhǎng)數(shù)值，就可以通過(guò)設(shè)備來(lái)遠(yuǎn)程、及時(shí)地對(duì)植物進(jìn)行護(hù)理，也能實(shí)現(xiàn)人們?cè)诿β禃r(shí)通過(guò)手機(jī)自動(dòng)控制家里的系統(tǒng)來(lái)完成對(duì)植物的養(yǎng)護(hù)目的。

1? 植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)研究

家庭種植的常見(jiàn)觀賞植物和蔬菜有菠菜、小蔥、芹菜、薄荷、文竹、吊蘭、綠蘿等。每一種植物的生長(zhǎng)條件有所不同，所以不同的植物不一定能夠在一個(gè)生長(zhǎng)室生長(zhǎng)，了解每一種植物的生長(zhǎng)才能調(diào)節(jié)和使用此裝置，下面列舉了兩種常見(jiàn)植物的生長(zhǎng)條件。

1.1? 豆芽的生長(zhǎng)條件

大豆發(fā)芽后，拿來(lái)清炒可以幫助消化、改善便秘，且種植簡(jiǎn)單，是家庭常見(jiàn)的種植蔬菜之一，當(dāng)挑選好顆粒飽滿(mǎn)的大豆，可以選擇種植在砂礫中，保持土壤的濕度在70%～85%之間，同時(shí)需要在濕度較高和遮光的條件下生長(zhǎng)，即光照在5 000 lx以上，同時(shí)保持溫度在15～25 ℃之間為最佳，還需注意的是大豆的發(fā)芽需要在6 ℃左右。

1.2? 綠蘿的生長(zhǎng)條件

綠蘿是大型常綠類(lèi)的藤本植物，其莖葉具有一定的攀爬的能力，因顏色較深，可以作為家中的觀賞植物。綠蘿水培也可以土培，本文中展示的是土培的數(shù)值。不同的光照會(huì)影響綠蘿產(chǎn)生不同的生物量，影響到梗和葉的生長(zhǎng)，所以折中下來(lái)需要保持在1 000～

6 000 lx之間為最佳；因綠蘿可以水培，所以濕度不低于50%最好；綠蘿的生長(zhǎng)溫度為20～30 ℃。

2? 總體方案設(shè)計(jì)

考慮到用戶(hù)的實(shí)際生活環(huán)境和需求，采用簡(jiǎn)便和大眾化的方式來(lái)設(shè)計(jì)，以單設(shè)備展示，示例植物為家庭常種的薄荷，此設(shè)計(jì)分為硬件電路和軟件部分，系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采集系統(tǒng)通過(guò)各個(gè)采集設(shè)備對(duì)植物生長(zhǎng)所需的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集；將采集得到的數(shù)據(jù)同提前設(shè)置入的數(shù)據(jù)比較，從而獲得差值，由養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)將差值補(bǔ)齊；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)擁有最高控制權(quán)限，可以打斷養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的自動(dòng)工作，也可以關(guān)閉所有的系統(tǒng)工作，并由用戶(hù)設(shè)定新的值到OneNET服務(wù)器，并由服務(wù)器發(fā)送到單片機(jī)，從而重新改寫(xiě)?zhàn)B護(hù)系統(tǒng)的工作；在各個(gè)系統(tǒng)工作的同時(shí)，可以將各個(gè)設(shè)備的實(shí)時(shí)工作狀況和當(dāng)前參數(shù)上傳服務(wù)器，用戶(hù)可以通過(guò)改寫(xiě)服務(wù)器的數(shù)據(jù)來(lái)改寫(xiě)設(shè)備自動(dòng)工作的數(shù)據(jù)，從而滿(mǎn)足不同植物的生長(zhǎng)需求，而微信小程序可以訪問(wèn)服務(wù)器，手動(dòng)控制各個(gè)設(shè)備和查看采集到的各環(huán)境參數(shù)，從而達(dá)到對(duì)植物的養(yǎng)護(hù)目的。

3? 硬件電路

本項(xiàng)目的硬件設(shè)備包括，意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6單片機(jī)、Wi-Fi模塊ESP8266、溫濕度模塊DHT11、光照模塊BH1750、SGP30二氧化碳檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊TB6612及電機(jī)和按鍵等，硬件原理圖如圖2所示。我們將溫濕度、光照、二氧化碳模塊連接到單片機(jī)，同時(shí)穩(wěn)壓電路給各設(shè)備和單片機(jī)進(jìn)行供電，使得各采集設(shè)備能將各個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，通過(guò)與系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)或者利用Wi-Fi設(shè)備在小程序中設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，使得能夠驅(qū)動(dòng)各電機(jī)和舵機(jī)將環(huán)境變量設(shè)定到合適的生長(zhǎng)環(huán)境。

3.1? 單片機(jī)最小系統(tǒng)板

單片機(jī)最小系統(tǒng)板如圖2所示，本項(xiàng)目的單片機(jī)采用STM32F103C8T6最小板，芯片采用ARM Cortex-

M3內(nèi)核，72 MHz主頻，64 KB Flash，4個(gè)定時(shí)器，3個(gè)串口等[1]，此款單片機(jī)成本較低，功能較AT89C52和STM32F103C6T6單片機(jī)，接口更加豐富；大容量的Flash能夠容下更多的代碼量，完成更豐富的功能；支持Wi-Fi通信，能夠遠(yuǎn)程訪問(wèn)；功耗低，還包含復(fù)位電路、晶振電路和串口下載電路，因此能夠完美作為本項(xiàng)目的主控芯片。

3.2? OLED顯示模塊

為了方便用戶(hù)查看各種環(huán)境參數(shù)，需要OLED顯示屏模塊，相較LCD1602，此模塊只擁有SDA和SCL兩個(gè)通信引腳，遠(yuǎn)少于LCD1602的引腳數(shù)量，使安裝變得十分簡(jiǎn)便。使用I2C通信，減少了操作這款顯示器的難度，同時(shí)這款顯示器擁有128×64的分辨率，可以比LCD1602顯示得更加清楚，此顯示器不僅能夠顯示數(shù)字、英文，還能顯示漢字，所以能夠適應(yīng)絕大多數(shù)家庭的使用環(huán)境。

3.3? 溫濕度傳感器模塊

由于需要同時(shí)測(cè)量土壤和空氣中的溫濕度，所以采用DHT11模塊，DHT11溫濕度傳感器是一種復(fù)合型的溫濕度傳感器，具有精確的數(shù)字信號(hào)輸出，使用了特殊的數(shù)字記錄技術(shù)和溫濕度信號(hào)傳感技術(shù)，使生產(chǎn)的產(chǎn)品具有高的可依賴(lài)性和穩(wěn)定性[2]。此模塊溫度的測(cè)量范圍為0～50 ℃，溫度測(cè)量誤差為±2 ℃[3-5]；濕度的測(cè)量范圍為20%～95%，濕度測(cè)量誤差為±5%，這些數(shù)據(jù)的測(cè)量范圍都能完美適用于家庭的環(huán)境條件。

3.4? 光強(qiáng)度傳感器模塊

本項(xiàng)目使用BH1750作為檢測(cè)植物生長(zhǎng)環(huán)境中光照強(qiáng)度的傳感器，此傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量范圍為0～65 535，可對(duì)家庭亮度進(jìn)行1 lx的測(cè)定[6]，接近視覺(jué)靈敏度的分光特性。同時(shí)因?yàn)槭褂肐2C通信，可將光線(xiàn)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓，從而轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)。BH1750應(yīng)用范圍很廣，對(duì)光的依賴(lài)性比較弱，可以適用于各種光源，主要應(yīng)用于手機(jī)、電腦、數(shù)碼產(chǎn)品、汽車(chē)液晶屏。BH1750分辨率很高，測(cè)量的精度較高，它可以測(cè)量的范圍較大，是一種數(shù)字型的測(cè)量光強(qiáng)度的傳感器[7]。

3.5? Wi-Fi模塊

選用ESP8266模塊，該Wi-Fi模塊運(yùn)用常見(jiàn)的2.4 GHz載波頻率，支持STA等三種工作模式，因?yàn)楣ぷ麟妷汉碗娏鞯停构ぷ鲿r(shí)更加節(jié)省能源，且成本較低，能夠更經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行多設(shè)備采用。此模塊能夠?qū)⒉杉K采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi上傳到OneNet服務(wù)器[8]，所以用戶(hù)能夠使用微信小程序訪問(wèn)服務(wù)器來(lái)上傳或下發(fā)數(shù)據(jù)。

3.6? 二氧化碳傳感器模塊

SGP30是一款芯片上具有多個(gè)傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器，內(nèi)集成4個(gè)氣體傳感元件，可以用于空氣質(zhì)量檢測(cè)、甲醛濃度檢測(cè)和二氧化碳檢測(cè)，可以適配大多數(shù)家庭環(huán)境的檢測(cè)，具有完全校準(zhǔn)的空氣質(zhì)量輸出信號(hào)[9]。同時(shí)也采用I2C通信，測(cè)量范圍為0～65 535，使得測(cè)量誤差為1×10-6。

3.7? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612是一塊強(qiáng)于L298N的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，擁有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)的引腳，能夠滿(mǎn)足本項(xiàng)目的兩個(gè)電機(jī)的需求，節(jié)省了成本；同時(shí)擁有單獨(dú)的5 V電機(jī)供電和單獨(dú)的3.3 V驅(qū)動(dòng)的供電引腳，能夠簡(jiǎn)化電路的連接；雙PWM通道，能夠改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而有效地改變溫度和二氧化碳含量；由兩個(gè)引腳控制一個(gè)電機(jī)，可以做到正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

4? 軟件部分

4.1? 單片機(jī)軟件部分

單片機(jī)開(kāi)機(jī)后，進(jìn)行各設(shè)備的自檢，檢查是否連接網(wǎng)絡(luò)，OneNET服務(wù)器是否連接，檢查無(wú)誤后，啟動(dòng)各檢測(cè)設(shè)備，并將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，與服務(wù)器或者單片機(jī)儲(chǔ)存的設(shè)定的植物最適生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，若溫度和二氧化碳過(guò)高，將打開(kāi)風(fēng)扇電機(jī)，進(jìn)行降溫和排氣；若光照過(guò)強(qiáng)，將驅(qū)動(dòng)遮光簾電機(jī)，將遮光簾放下，減弱光照的強(qiáng)度，若光照過(guò)低，將打開(kāi)LED燈進(jìn)行補(bǔ)光；若土壤濕度過(guò)低，將啟動(dòng)灌溉用的舵機(jī)，將土壤的濕度提高。在設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)將各個(gè)參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)上傳到服務(wù)器[10]，用戶(hù)可以通過(guò)微信小程序來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器，來(lái)查看數(shù)值或者下發(fā)設(shè)備運(yùn)行的指令到服務(wù)器，由服務(wù)器通過(guò)ESP8266發(fā)送指令到單片機(jī)，單片機(jī)來(lái)控制各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行，并且在OLED顯示屏上顯示，單片機(jī)軟件流程如圖3所示。

4.2? 小程序軟件部分

單片機(jī)向OneNET服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答請(qǐng)求，連接成功后，微信小程序即可連接服務(wù)器，小程序接收或下發(fā)指令到服務(wù)器，由服務(wù)器控制單片機(jī)的LED照明燈的開(kāi)啟、電機(jī)和灌溉舵機(jī)的工作。

5? 系統(tǒng)測(cè)試

5.1? 系統(tǒng)工作

圖4為硬件展示圖，單片機(jī)開(kāi)機(jī)，進(jìn)行設(shè)備自檢和檢查Wi-Fi連接狀況后，用戶(hù)通過(guò)微信小程序下達(dá)開(kāi)啟全部設(shè)備指令，單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)查看單片機(jī)反饋到小程序和環(huán)境參數(shù)后，下達(dá)打開(kāi)風(fēng)扇和灌溉的指令，單片機(jī)接收指令后自動(dòng)調(diào)節(jié)養(yǎng)護(hù)設(shè)備，使得環(huán)境參數(shù)達(dá)到了適宜植物生長(zhǎng)的水平。

圖4? 硬件展示圖

5.2? 功能測(cè)試

本設(shè)備使用薄荷作為實(shí)驗(yàn)的對(duì)象，測(cè)得了一些采集設(shè)備的實(shí)際采集誤差和養(yǎng)護(hù)設(shè)備能夠改變的環(huán)境參數(shù)的值，并且得到了薄荷（成熟期）7天生長(zhǎng)的環(huán)境數(shù)值。

5.2.1? 溫度測(cè)量

溫度的參數(shù)測(cè)量主要以測(cè)量空氣和土壤為主，測(cè)量實(shí)際采集誤差的方式為：將設(shè)備置于常溫（地點(diǎn)為江蘇揚(yáng)州，時(shí)間為2023年9月1日）下，測(cè)量24小時(shí)，同時(shí)和水銀溫度計(jì)進(jìn)行比對(duì)，設(shè)備測(cè)量的溫度和溫度計(jì)的測(cè)量的誤差范圍為±0.3 ℃；在測(cè)量養(yǎng)護(hù)設(shè)備能夠改變的溫度范圍時(shí)，采用風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的物理降溫，在空氣濕度為58%的情況下可以降低8 ℃左右。

5.2.2? 光照強(qiáng)度

光照的參數(shù)測(cè)量以測(cè)量家庭陽(yáng)臺(tái)的光照強(qiáng)度為主，測(cè)量實(shí)際采集誤差的方式為：利用設(shè)備測(cè)得家庭的環(huán)境光照，再利用手機(jī)軟件測(cè)得對(duì)照的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)比得到相差60 lx左右；在削減光照強(qiáng)度的方面，采用遮光簾，能夠有效降低500～3 000 lx，采用12 W日光燈，能夠增加1 440 lx。

6? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)和ESP8266，能夠完成對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境因素的檢測(cè)，并且能夠自主地依靠這些數(shù)據(jù)來(lái)啟動(dòng)各個(gè)養(yǎng)護(hù)的設(shè)備，完成對(duì)植物的養(yǎng)護(hù)，同時(shí)也能通過(guò)微信小程序展示給用戶(hù)，保留了用戶(hù)的操作權(quán)，讓用戶(hù)在外工作時(shí)也能監(jiān)控和控制家中的設(shè)備。實(shí)踐證明該設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性較好，相信未來(lái)能夠得到很好的推廣和使用。

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作者簡(jiǎn)介：鄧?guó)櫢＃?003.02—），男，漢族，四川眉山人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化；狄逸辰（2000.02—），男，漢族，江蘇鹽城人，本科在讀，研究方面：電氣工程及其自動(dòng)化；費(fèi)凡（2002.11—），男，漢族，江蘇無(wú)錫人，本科在讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化；通訊作者：潘往麗（1969.11—），女，漢族，江蘇泰州人，副研究員，碩士，研究方向：教育管理、信息技術(shù)。