基于云服务的智能花盆系统设计

张立良+宁祎+刘磊

摘 要：为了满足远程看管植物的需求，文中设计了基于云服务的智能花盆系统。该系统由STM32主控单元、温湿度检测模块、光照强度检测模块、土壤湿度检测模块、浇水控制单元、WiFi通信模块以及移动端应用程序组成。文中详细介绍了本系统的硬件设计方案，软件设计流程图以及系统运行工作流程。经试验测试，本系统能够快速反应控制命令并准确接收数据信息，符合设计要求。

关键词：云服务；智能花盆；WiFi；STM32；传感器

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-02

0 引 言

随着社会的进步，人们的生活质量日渐提高，越来越多的家庭开始注重健康舒适的生活空间。在家庭，工作或学习的环境中放置一些盆栽花卉既可以去除环境中的有害气体净化室内空气，还可以陶冶情操，使生活、工作和学习更加愉悦，但前提是我们每天有充裕的时间来照料植物。如果工作繁忙且经常加班出差，就难免疏于对植物的管理。虽然目前市面上智能花盆种类繁多，但大多数功能单一，且受通信距离的限制无法实现远程看护功能[1， 2]。因此本设计采用基于云服务的智能花盆可破除距离限制，只要移动端能够接入互联网就可与智能硬件通信。

1 系统总体设计

基于云服务的智能花盆是基于物联网概念的智能植物管家平台。通过移动客户端接入云端与智能硬件相连实现远程控制的功能。其硬件平台采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32高性能嵌入式处理芯片，通过采集植物所处土壤湿度，外界环境的温度、湿度，外界光照强度等信息并实时上传至移动App客户端，便于用户实时掌握植物的生长状态。移动客户端App不仅可以接收信息，还可以发送指令。用户根据收到的信息远程控制浇水。此外，如果所处环境没有网络，可在智能硬件端设定土壤湿度最低阈值，达到浇水要求后系统会自动开启浇水功能，无需担心植物缺水。

2 系统硬件设计

在对系统设计方案进行分析论证的基础上，设计了以STM32F103VB为核心的系统硬件电路。系统结构框图如图1所示。控制部分主要将各传感器模块采集的数据信息上传至MCU，并通过WiFi模块将数据上传至云端最终与移动客户端进行通信，便于获取数据或者控制操作。土壤湿度数据通过单片机A/D转换得到，光强度信息采用I2C通信传输至单片机，温湿度数据则采用串口通信传输。此外，本系统还有自动管理功能，当土壤湿度低于最低阈值时可实现自动浇水功能。

2.1 核心控制单元

系统接入云服务或控制采集、发送各传感器的数据均需要由高性能的MCU控制。一般8位及16位单片机难以满足系统要求。因此采用系统时钟频率达到72 MHz的STM32F103VB单片机。该系列单片机具有高性能、低成本、低功耗等优点，采用ARM Cortex-M3处理器内核，具有高达128 KB字节的Flash存储器以及20 KB字节的SRAM，作为最新一代的嵌入式ARM处理器其具有卓越的运算性能和先进的中断系统[3]。

2.2 温湿度检测模块

温湿度模块采用DHT11数字温湿度传感器。此传感器为数字信号输出的温湿度复合传感器。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿原件和一个NTC测温原件，其内部与一个高性能8位单片机相连。因此该模块具有响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的温湿度检验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，并在检测信号的处理过程中调用这些校准系数。此模块湿度测量范围为0～100%，温度测量范围为-40～125℃。其精度分别为±2%，±0.5℃[4，5]。

2.3 光照强度检测模块

BH1750是一种用于两线式串行总线接口的16位高精度数字型光强度传感器集成电路，可收集光线强度进行环境监测。其分辨率高达1 lx，可探测的光强度变化范围为1～65535lx。系统硬件MCU通过I2C接口与光强度检测电路通信[6]。将采集到的光照数据分为强烈、柔和、昏暗、夜间四个等级，并上传至移动客户端。移动端根据收到的数据来显示光强度等级。

2.4 土壤湿度检测模块

土壤湿度模块可检测当前土壤湿度，以便确定是否需要浇水。此模块的A0输出可以直接得到土壤湿度的模拟信号[7]。经MCU的A/D转换得到具体的湿度数字信号。本设计中直接采集湿度模拟信号并经过标定转换最终在移动终端显示具体的土壤湿度值。由于土壤的储水量大小取决于土壤基质，对于不同基质的土壤，其湿度评定方法也不相同。因此本设计土壤基质采用有机土壤，以此为基准标定土壤湿度检测模块。

2.5 澆水控制模块

本设计的智能花盆带有储水箱，储水量可达1 000 mL。为了能够方便自主浇水，设计有自主浇水系统，MCU根据移动端接收的命令或者当前土壤湿度自主决策是否浇水。花盆底部安装有微型水泵，控制系统可以控制水泵执行浇水操作。

2.6 通信模块

为了能够与主机端进行远距离通信，本设计采用ESP8266 WiFi模块连接路由器。该模块内嵌WiFi通信协议与组网TCP/IP协议栈，可以将硬件设备连接到无线网络[8]。WiFi模块的数据传输通过UART串口与主控芯片通信，兼顾近距离通信与基于云服务的远距离通信[9]。

3 系统软件设计

根据系统设计方案及硬件电路，采用C语言设计系统软件。系统程序流程图如图2所示。系统上电后先对各模块进行初始化操作，然后进入主程序检查按键与串口是否有动作。由于自动上传信息功能由定时器控制，因此先判断定时器的时间是否满足，如果满足则处理、上传数据；如果不满足则检测土壤湿度是否达到设定的最低阈值，若小于最低阈值则开启自动浇水，若不小于则进行下一步判断，是否收到客户端控制命令。若收到命令则执行相应操作，未收到命令则返回下一次循环。

4 云服务设计

本文设计的智能花盆系统云端设备采用机智云提供的云服务平台。机智云为开发者提供了M2M接入、数据分析、OTA固件升级等基础服务。其将智能硬件的软件开发工具化、模块化，并且在云端提供了一个开发者自助服务界面，把智能硬件的功能描述成数据点，通过非常直观的表单操作，让开发者可以在云端自主定义一项产品功能，系统将自动生成一系列开发的协议文档、智能手机应用的SDK、云端相关接口[10]。因此本设计在硬件设计完成后便可基于机智云平台简便开发移动智能硬件。机智云工作流程图如图3所示。

5 系统测试

基于云服务的智能花盆数据显示和控制通过应用程序实现。系统硬件部分经WiFi与云端连接后，就可以通过移动设备App实时查看接收到的数据并发出控制命令。经过多次试验表明，在人为改变环境温湿度的情况下，移动端App都能实时显示环境温湿度变化。并在移动端发出浇水命令后硬件端水泵系统同样能够快速反应并正常工作。

图4所示为测试应用界面。图5所示为系统实物。

6 结 语

该系统将目前市面上的同类智能花盆产品各功能优化，并运用云技术，将植物生长信息实时传入云端，无论用户身居何处都能了解当前植物的生长信息。本设计功能丰富，且通过人性化设计可以带给用户良好的体验。此外，笔者认为该系统拥有巨大的消费群体，适用人群广，消费潜力大，市场前景光明。物联网概念已走入千家万户，基于云服务的智能花盆硬件系统作为物联网接入点可以在原硬件基础上进行扩展，以此为基点，远程控制家中所有接入设备。在下一步设计中可以设计扩展口，便于其他模块通过此设备接入云端。该系统具有智能化、自动化等特点，在智能家居领域具有较高的应用价值。

参考文献

[1]张娜，吴文福，杜吉山，等.智能花盆的研究现状与发展前景[J].农业与技术，2016，36（1）：174-176.

[2]赵丽，张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学学报， 2012，22（6）：650-651.

[3]孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].网络新媒体技术，2010，31（12）：59-63.

[4]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度测控中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用. 2010，10（6）：60-62.

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[10]黃灼，张越，刘继文.看机智云黄灼在智能硬件时代如何“卖水”[J].中关村， 2014（9）：52-55.