基于ARDUINO的室内盆栽智能浇灌检测系统的设计

崔乔

摘要：本文介绍了一种基于ARDUINO的室内盆栽智能系统，该系统利用ARDUINO开发板、温湿度检测模块、WIFI模块、互联网平台等常用单元，实现智能化土壤湿度检测和自动浇灌功能，有效解决了家庭或辦公室花卉浇灌不当带来的问题。

关键词：ARDUINO开发板；数据采集；智能浇灌

随着社会的飞速发展，人们的生活节奏越来越快，与大自然接触的时间越来越少，从而导致更多的人选择将盆养植物融入日常生活进行室内养殖。研究表明，盆养花草的死亡，80%是由于浇灌不及时引起的，而市面上推出的多款盆栽自动浇水系统，一般只适用于大型温室机构，并且价格昂贵，而关于家庭或办公室的盆栽养殖浇灌系统，则鲜有推出。[1]针对这种情况，本文设计了一款致力于解决家庭盆栽的智能浇灌检测系统，目的是帮助上班族或出差族打理自己的花卉。

1 设计思想

本文所研究设计的灌溉系统框图利用ARDUINO板块、温湿度模块、WIFI模块、互联网平台等常用单元，实现土壤湿度检测和自动浇水智能系统的有效连接，完成智能灌溉功能。如图1所示，利用土壤温湿度传感器进行温湿度数据采集，将采集到的数据传输至Arduino端口，显示在Arduino IDE上，再通过WIFI模块，将数据上传至互联网平台，利用PC与手机客户端进行监测。

2 设计原理

2.1 主要器件原理介绍

2.1.1 Arduino Uno

近几年，随着科技发展，开发板推陈出新。相对只支持Linux 系统，价格昂贵的 Raspberry Pi，Beagle Board这两种板子，Arduino Uno则是一块开放性很强的板子，其软件部分Arduino IDE，更是一个开源免费的平台。由于Arduino的开放性以及设计图纸的完全公开，用户可根据自己需求对软件库和硬件部分进行修改，以满足所需传感器各方面的要求。Arduino包括的硬件部分：一个同时具有14路数字输入/输出口的ATmega328；一个16MHz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[2]。Arduino的主控板通过USB线与电脑接口连接，通过Arduino IDE的调试端口进行数据导入和导出。

2.1.2 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器的主要作用是将土壤温度量和相对湿度量转换成易被测量处理的电信号。本系统使用的是目前市场上应用较多YL69土壤湿度传感器，YL69土壤湿度传感器由传感器接触端，灵敏度调节的电位器，电源指示LED，电源正负极，开关信号输出，模拟信号输出，开关指示LED组成。

2.1.3 温湿度传感器

温湿度传感器用于测量和反馈当时所处空间范围内的温湿度。DHT11是一款已有校准数字信号输出的温湿度传感器。精度湿度+5%RH， 温度+2℃，量程湿度2090%RH， 温度0～50℃。传感器包括一个电阻湿感元件和一个NTC测温元件，并与Arduino连接[3]。其四个引脚分别控制：VCC，DATA，N/A，GND。

2.1.4 电机驱动模块

电机驱动模块用于驱动电机，控制电机转速。L298N 是一款高电压、大电流电机驱动芯片[4]。该芯片采用15脚封装，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可驱动直流电动机和步进电动机；具有两个使能控制端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，不仅可驱动一台两相步进电机或四相步进电机，还可驱动两台直流电机。

2.1.5 WIFI模块

WIFI模块用于无线数据传输，可以使开发板和PC之间实现数据互通和传输。ESP8266 WIFI 模块是基于UART接口的符合WIFI无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈。

2.2 系统搭建

在搭建系统时，应先注意ARDUINO连接面包板后与温湿度传感器，土壤传感器相连接，同时面包板上搭接WIFI模块。将电机驱动模块也连接至ARDUINO上，电机接到L298N上，再将电机接到塑料管上。

搭接温箱，这套测试设备主要是对土壤的温度进行测量统计和控制，而温箱中的温湿度测量数值则作为辅助。通过YL69土壤温湿度传感器感知土壤瞬时的温湿度，利用DHT11温湿度传感器测得温箱中空气的温湿度。同时将测量数据通过Arduino Uno接收，及时反馈到Arduino IDE。Arduino IDE进行数据统计，将统计过的数据通过ESP8266 WIFI模块再反馈到互联网数据平台。互联网数据平台每镉20分钟，互联网数据平台就会更新一组土壤中温湿度的数据。若显示的土壤温湿度未在正常设定范围之内，那么灌溉指令就会传达给Arduino Uno，指令导入使得电机被驱动起来，进行抽水灌溉盆栽。若测得温湿度在设定范围内，则土壤温湿度传感器继续回传数据并且检测整个温箱系统。

3 系统设计优化

在系统结构搭接里，有两部分的优化内容：第一，检测温度时，若超出正常指数，需将反馈的未达标温湿度数据统计控制在两小时内（六个周期），即反馈的温度数据不正常指数连续六次方可进行灌溉。优化设计不仅节约水源，还可保护植物。第二，灌溉指令虽由电脑直接输出，但用户依然具有监管权力。用户可直接撤销电脑给出的灌溉指令，如通过互联网平台发出“turn off”的指令，使得系统在接收后立即停止工作，直至系统发出“turn on”的指令，系统才能再次被启动。

4 结论

通过大量测试表明，该智能检测系统，运行稳定，有效起到自动灌溉盆栽作用。该系统不仅可以采集数据，还能够自动为植物灌溉。系统所使用的WIFI模块，能够及时将数据反馈到互联网上，保证使用者在出行时，依然可以实现随时监控的目的。很适合经常出差又喜好养殖盆栽的人群，具有强大的开发价值和市场潜力。

参考文献：

[1]崔庆权，尹逊和.一种简易盆栽浇花控制系统的设计与实现[J].电子测量技术，2015（02）.

[2]崔阳，张维华，白云峰.一种基于Arduino的智能家居控制系统[J].电子技术应用，2014（04）.

[3]韩丹翱，王菲.DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程 ，2013（13）.

[4]胡永翔，谢浩，冀连杰.基于光电传感技术的太阳能最大效率跟随方案设计[J].湘潮（下半月）， 2011（02）.