一种交互式的物联网智能花盆系统设计

潘敏开+黄业盛+何俊蜓+刘晋胜

摘 要：随着物联网的日益发展，智能设备渐渐走进每一个大小家庭中，自动化同时也成了当代的一个代名词，智能花盆的免人工培植正迎合了这一大主题。通过温湿度、光照等传感器获取当前植株生长环境状况并获取图像数据上传至移动端，具有良好的交互功能。主控采用STM32，通过WiFi与Web服务器进行数据交互。系统能够为智能花盆的设计提供参考，具有较强的创新性及参考价值。

关键词：物联网 交互功能 Web服务器 社交圈

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）01（b）-0004-03

智能花盆是当今世界家居和办公室种植植株的新宠，是根据土壤、温湿度、光照等变化按需供给的一套现代化种植系统。能改善家居和办公环境，取得种植植株的乐趣。在技术范畴来讲，智能花盆是精准农业的一个计数分支，它根据土壤的含水量，养分和作物生长状况的空间差异，调节对植株的投入。显然，智能花盆不但可以最大限度提高植株的存活率，而且是实现优质、低耗和环保的可持续发展的有效途径，能优化家居环境。

而在国外，智能花盆的研究探索也从未停止，美国市场出现了一种叫“WaterLink”的产品，通过湿度传感器来采集土壤的含水量数据，通过WCDMA网络发送给用户，用户通过智能手机的客户端了解当前植物土壤含水量。

该系统为根据植株生长状况调节对植株的投入，改善家居环境，建立以智能花盆为基础的带交互式的系统，划分为3个层次，分别为硬件层、网络层、应用层。硬件层的主要职能是采集现场传感数据和接收反馈控制。同时底层系统配置摄像头获取植株图像信息供上层应用来调用。网络的主要职能是对数据传输的控制，在智能花盆系统中，主要利用的是HTTP1.1协议，利用底层WiFi模块对服务器进行数据的交互。HTTP1.1負责组织html向客户提供远程访问。应用层的主要职能是通过Android应用程序界面和Web服务器展示应用，向用户提供良好的操作界面。利用这一套系统，在实现植株免人工栽培的同时，基于Android上层应用建立以智能花盆为核心的社交圈。用户通过app应用观察自身植株的同时，更可观察好友植株的生长状况，并可参与到植株的培养中来。同时系统带有聊天界面和社交功能，不单提供交流的渠道，还能帮植株发个“心情”。

1 硬件设计

1.1 智能花盆的整体设计

系统框图如图1所示。

1.2 土壤湿度检测设计

该系统中的土壤湿度检测如图2所示。

系统中配置两根探针插入土壤中，由于两探针间的泥土在不同的湿度下会有不同的阻值，土壤电阻与电路中的C19构成了RC回路，又与NE555构成了完整的振荡电路，同时，由于NE555的输出信号是数字信号，相当于将RC振荡的波形整形为脉冲信号，方便与数字控制系统连接以测量电路振荡频率，达到测量湿度的目的。

1.3 LED控制以及光强检测设计

经研究发现，植物光合作用需要的光线，波长在400～720 nm左右。440～480 nm（蓝色）的光线以及640～680 nm（红色）的光线对于光合作用贡献最大。520～610 nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。

按照以上原理，系统采用的补光灯波长为450～460 nm，为蓝光1W2两个，白光1 W一个。

而在光检测的设计上，系统采用了PT550系列的光敏电阻。PT550对比传统的CDS光敏电阻有如下优点：不含镉、铅等有害物质，符合欧盟ROHS标准，适用于各类光照照明产品：如小夜灯，草坪灯等，而且静态电流小，响应速度快，性能稳定。测量范围为400～1 100 nm。

LED控制以及光强检测电路设如图3所示。

2 软件设计

2.1 硬件系统程序设计

智能花盆底层主要的工作是对植株生长环境的检测以及植株生长状况的拍摄，硬件系统设定时间通过WiFi往服务器发送相关数据包。同时系统处于监听状态， 监听服务器发来的指令，根据指令完成相关的任务。硬件系统框图如图4所示。

2.2 应用层的设计

应用层APP分为3个部分：环境信息的获取显示，花盆硬件设备的操作，社交平台交互。环境信息的获取：APP定时向服务器发送更新数据请求，实现数据的实时性。硬件设备的操作：用户可根据当前的环境状况，结合植物的最佳生长环境参数进行环境的调节。社交平台交户：系统模拟真实版QQ农场，用户间可相互查看植株生长状况以及帮助其他用户进行植株辅助栽培。应用层系统框架如图5所示。

2.3 Web服务器的设计

为了解决客户端兼容性问题，智能花盆系统采用B/S的体系架构，智能花盆web服务器由两个类组成，包括webserver和webserverhandler，这两个类是由Thread类派生而来，启动webserver（）方法创建监听服务器，调用accept（）方法等待客户的HTTP请求连接，在有客户端连接时，webserver类产生一个webserverhandle来处理请求。系统框图如图6所示。

3 系统测试

通过系统的硬件模块设计及软件实现完成系统开发，并对系统各模块功能及整体功能进行调试及性能测试。重点测试自动浇水控制性能，系统相应时间测试结果如下。

（1）土壤检测系统检测到土壤湿度不够时，水泵马上开始工作，直到土壤检测湿度为正常。当水位低于指定值时，呼吸灯变红提示。整个测试经历2天，系统趋于稳定，土壤能维持一定的湿度。

（2）由于系统大量模块化，响应的时间大大影响着整个系统的运作。在单机的花盆测试中，由于系统是1 s间隔执行一次对环境的检测以及调整，所以单机的自动调剂响应时间是有一定的保证。重点在于硬件系统与服务器连接的响应时间上，经过测试发现手机通过无线局域网访问智能花盆服务器用时小于1 s，而手机通过移动IP网络访问服务器时，时间大概在5～8 s。由于种植对数据同步不需要十分精确。所以系统测试结果是可以接受的。

经过一段时间的测试，智能花盆系统无论从功能上还是性能上，都满足既定的设计目标，在实际应用过程中发挥了重要的作用。

4 结语

智能花盆是当前家居家电的新宠，目前该产品处于起步阶段，产品的性能、功能和应用模式都处于探索阶段，已有产品的智能化和网络化程度不够。该设计思维着重于对植株生长条件的研究以及基于花盆所搭建的社交平台，不仅符合当今现代化的自动化趋势，还能增强培植的乐趣，具有一定的应用价值和参考价值。

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