基于Arduino的智能浇花系统设计与实现*

杨潞霞

(山西大学商务学院信息学院，山西 太原 030031)

基于Arduino的智能浇花系统设计与实现*

杨潞霞

(山西大学商务学院信息学院，山西 太原 030031)

设计了一种以Arduino为核心控制芯片的智能浇花系统，包括有Arduino UNO控制芯片，温湿度传感器模块，太阳能供电模块、LCD显示模块、蓝牙通信模块等。该系统运行有两种模式，一为自动模式，主要是利用土壤湿度传感器进行实时土壤湿度信息的采集，并通过Arduino对信息进行分析处理，来控制水泵的开启与关闭；二为手动模式，系统可通过手机APP来实时获取土壤信息情况，并根据实际情况用手机控制适时适量浇花。系统采用太阳能加电池供电的方式，运行安全可靠，适用于所有的盆栽植物，结构简单、操作方便、成本低，在现实生活中具有很好的应用价值。

Arduino UNO芯片；智能浇花；土壤湿度传感器；蓝牙通信；水泵

随着科技的发展，我们跑步进入了智能化时代，智慧城市、智能之家等都逐渐映入眼帘。我们充分享受着智能带来的便捷，交通智能化方便了我们的出行，微型计算机代替人脑完成复杂计算，互联网、物联网在地球上编织了一张大网，让人与人之间的距离缩近，这一切都改变着我们的生活。闲暇之际，养花成了现代人陶冶情操的方式，但是，经常旅游出差等却总是让爱花几近凋谢。为解决这一问题，市场上出现了一些浇花装置[1-3]，主要分为两类:一类是以物理虹吸原理，即利用渗透的方式来自动浇水，另一类是利用简单的定时控制技术实现自动浇水。由于这些浇花系统检测方式单一，无法根据土壤湿度来达到实时浇水，因此往往出现花卉干枯或者过涝死亡的现象。本文提出一种新的智能化的浇花系统，在太阳能加电池的稳定电源供电下，通过土壤湿度传感器、温湿度传感器来实时监测花卉的情况，核心处理器Arduino将传感器得到的信息进行判断处理，并及时给出控制系统信号，从而控制水泵的开启与关闭，实现按需浇花；此外，系统蓝牙模块可以与手机通信，用户能随时自动接收花卉的当前状况，这弥补提升了当前市场上浇花装置的不足。

1 浇花系统的设计思路

利用Arduino为主要控制芯片，由土壤湿度采集模块、外界温度采集模块、蓝牙通信模块、控制水泵模块和显示模块五大部分组成，其系统组成框图如图1所示。该智能浇花系统拥有两种工作模式：一种是自动模式，另一种是手动模式。

图1 浇花系统总体框架图

自动模式是根据预先设定土壤干湿度，室内温湿度的阈值，来判断浇花系统是否应该自动启动；利用土壤湿度传感器来检测土壤的含水量，温湿度传感器检测植物环境温湿度，并将检测到的信号传给控制器Arduino UNO，经过与预设值的比较判断，如果需要浇水则驱动水泵电机浇水，如果不需要Arduino会进入断电模式，系统可以适应不同的土壤和环境进行设定。

另一种为手动模式，通过用户手机蓝牙与系统的蓝牙连接完成后，借助手机APP即可获得当前土壤的湿度情况，植物所在的环境温度状况，通过输入对应的指令，来控制浇花系统的运行和停止。如果断开蓝牙的连接，则系统自动还原为自动模式。

每种工作模式下的传感器采集值都可以通过LCD显示屏实时检测观察。

2 硬件设计

本设计选用了Arduino UNO作为核心控制芯片，通过杜邦线与其他部件相连。利用土壤湿度传感器、DTH11温度传感器来监测花卉情况，其中土壤湿度传感器实时采集土壤的湿度值，并将模拟信号转换为数字信号，DTH11温度传感器来检测环境温度，传感器将得到的信息通过杜邦线传递给Arduino进行判断处理；Arduino利用电磁继电器控制电路通断，控制在储水箱中的水泵来达到浇水。水位计来检测储水箱中的水量，提醒用户及时向储水箱加水；该系统加入LCD1602模块来显示花卉实时情况，每两秒更新一次；并且系统通过蓝牙模块与手机相连，用户可以随时接收自动花卉当前的情况，全程通过太阳能来供电，节约能源安全可靠。

2.1 控制核心

主控电路是整个系统的核心，本系统的控制器为Arduino UNO，Arduino UNO与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个Arduino控制系统[4]。Arduino UNO作为Arduino平台的参考标准模板[5]。UNO的处理器核心是ATmega328，同时具有14路数字输入/输出口(其中6路可作为PWM输出)，6路模拟输入，一个16 MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino各模块较独立。Arduino UNO实物结构如图2所示。

2.2 通讯模块

通讯方式为蓝牙，蓝牙是一种低成本大容量的短距离无线通信规范，本系统中的蓝牙模块与手机中的蓝牙相连接，可通过手机蓝牙APP向系统发送指令，蓝牙模块接收指令后，以串口的方式发送指令到Arduino[6,7]。用户可以通过手机连接系统的蓝牙串口APP进行系统的数据检测，并根据收到的湿度值对系统进行开始浇水或停止浇水的指令，人为地控制浇水时间浇水量；同时，用户也可利用手机将系统调节为自动模式，进行系统自动管理。本产品采用蓝牙通讯模块如图3所示。

图2 Arduino UNO实物图

图3 蓝牙模块

2.3 传感器模块

本设计主要利用了土壤湿度传感器，DHT11温度传感器，旋转传感器。土壤湿度传感器模块用于检测土壤的湿度，传感器能实时采集土壤的湿度值，将湿度模拟信号转换为数字信号，此信号通过杜邦线传送到Arduino，供Arduino对该信号进行处理，将检测到的湿度值与预设的湿度阈值进行比较[8]，若小于预设阈值则启动系统，大于预设值则停止浇水。DHT11温度传感器主要用来检测环境温度，若需要浇水，则驱动水泵电机进行浇水，其输出波形稳定，驱动能力强，工作电压为3.3 V～5 V，可直接将采集到的模拟信号转换为数字信号，信号稳定，适用环境广泛。

2.4 LCD显示屏模块

本产品为了能够直观显示检测值，选用LCD1602模块进行实时显示。该模块实现包括土壤湿度、室温、室内空气湿度、储水箱水量等实时数据的显示，每隔两秒更新一次相关数据，用户可随时监测当前花卉及环境的相关状况，同时可以根据相关数据自行照顾花卉。

2.5 太阳能供电模块

太阳能电池板(Solar panel)是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，属于更节能环保的绿色产品。当光源充足时，太阳能电池板将转化的电能存储起来，当无光源或断电时，启动备用电源为系统供电，保证系统的正常工作。自制的太阳能电池板如图4所示。

图4 自制太阳能电池板

2.6 水位计模块

压力式水位计是根据压力与水深成正比关系的静水压力原理，运用压敏元件作传感器的水位计。当传感器固定在储水箱水下某一测点时，该测点以上水柱压力高度加上该点高程，即可间接地测出水位，当水位低于预设水位时，向用户发出一个提示信息，提醒用户向储水箱注入适量的水，便于用户实时监测。

2.7 硬件连接

各个功能的实现都需要在Arduino UNO控制芯片的基础上将各个主要实现功能的硬件连接起来。利用Arduino UNO作为控制芯片，并将其余硬件模块(参考硬件连接)用导线或其他硬件连接方式连接到与程序相对应的Arduino各个数字，模拟口。本产品选取硬件与Arduino接口连接情况如表1所示。

表1 Arduino UNO控制芯片连接硬件情况表

3 软件设计

3.1 Arduino芯片核心程序设计

Arduino作为主要控制芯片，要实现预想的浇花系统功能，需要利用Arduino插件进行程序的编写。

当系统启动时，Arduino开始对程序进行初始化，随后等待上位机发出指令，接收到指令后，对程序相关设定参数进行更新(包括土壤湿度、室温等)，然后开始检测土壤湿度，在当前湿度监测值传回上位机后，系统将把检测值与预设值进行比较，当检测值低于预设值时，Arduino驱动水泵电机进行工作，此时土壤湿度将随着水量的增加而增加，直到检测值大于设定值时，水泵停止工作，具体工作流程如图5所示。

图5 主控程序设计流程图

3.2 手机蓝牙APP设计

本系统可以通过手机蓝牙APP程序与系统的蓝牙模块相连，实现工作模式的转换，自动模式与手动模式，如选择手动模式，即要向控制器发送指令，用手机合理实时地控制系统的工作与否，并且系统会自动及时地反馈系统当前的温湿度值。该APP程序的功能包括：登录界面、主功能界面和参数设置，其中主功能界面的设计如图6所示。

图6 手机APP主功能界面

4 结语

本设计采用Arduino作为控制芯片，针对智能化灌溉和人性化远程控制设计并实现了一款智能浇花系统。该系统可以在家时设置成手动模式，根据蓝牙APP传回的土壤温湿度值合理地用手机控制水泵的开启与关闭；也可以出门时选择自动模式，由系统根据花盆中土壤湿度来控制水泵的开启与停止；此外，系统的太阳能持续稳定供电保证系统地稳定运行。将该设计放入办公室的花盆进行使用，实验证明本设计基本能实现按需浇水，后续可以继续

升级，并可以为温室大棚灌溉、园林灌溉等智能化的植物灌溉系统提供一定的参考价值。

[1] 刘川,张小成,高进渊,等.智能自动浇花系统的控制设计研究[J].科技视界,2015(18):87-88.

[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，2014，22(6)：112-114.

[3] 朱士东,高洪卓,杨燕芬,等.基于物联网的智能浇花系统的设计[J].产业与科技论坛,2017,16(11):42-43.

[4] 袁腾,王帅,梅明,等.基于单片机原理的可定时自动浇花器[J].硅谷,2012(13):38-39.

[5] 杨佩璐,任昱衡.Arduino入门很简单[M].北京，清华大学出版社，2015：189-194.

[6] 于欣龙，李泽.传感器实战全攻略[M].北京,人民邮电出版社,2016：263-280.

[7] 陈培东,姚玉环,李祖鹏,等.基于Arduino的远程自动浇花系统设计[J].电子世界,2017(6):179-179.

[8] 刘力.基于Ardunio和Android的蓝牙遥控车[J].科技视界,2016(14):148-148.

DesignandImplementationofIntelligentWateringSystemBasedonArduino

Yang Luxia

(SchoolofInformation,BusinessCollegeofShanxiUniversity,TaiyuanShanxi030031,China)

This paper designs a kind of intelligent watering system based on Arduino, which takes Arduino UNO as the control chip, and includes temperature and humidity sensor module, solar cell, LCD display module, bluetooth communication module and so on. There are two kinds of system operation mode, one is the automatic mode, the real-time soil relative humidity by soil moisture sensor is detected, water pump is controlled by information processing and analysis on Arduino; the second is the manual mode, the system can get real-time soil information by mobile phone APP, and adopts the phone to control right amount and timely water the flowers according to actual situation. The system operation is safe and reliable with the features of simple structure, easy operating and low costs for power system of solar cell. It is used in all the potted plants, and has very good application value.

Arduino UNO chip; intelligent watering; soil moisture sensor; bluetooth communication

2017-10-25

山西省面上青年基金项目(201701D221103)；山西省教育科学“十三五”规划课题(GH-16182)

杨潞霞(1979-)，女，山西阳城人，副教授，博士，主要研究方向为微纳技术与仪器、物联网传感技术与应用。

1674- 4578(2017)06- 0046- 04

TP273

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