基于物联网的花卉养护远程监控系统设计*

韩梦迪，刘 明，王 帅，汪 旋，宋 杰，范澳东

(南通大学 电气工程学院，江苏 南通 226019)

0 引言

随着时代的发展，城市化脚步加快，城市人口密度越来越大，高楼大厦遍地开花，绿色美景越来越少，人们越来越渴望拥有一个自然和谐、舒适安宁的绿色环境，而家庭花卉养植使得这一切成为可能。室内种植花草不仅对室内的空气有一定的净化作用，而且对身心健康有极大的好处，使生活更加愉悦美好。然而目前家庭花卉的养护仍然以人工为主，养护者往往缺乏技术和经验，无法对花卉养护的环境参数进行实时的分析和处理，无法精准地控制花卉的灌溉和施肥，难以保证花卉的养护质量，甚至由于养护不当，导致花草凋谢枯死，反而污染室内空气，不利于健康。因此，基于物联网技术[1-2]，研发设计一套适合“懒人”养花的智能花卉养护系统[3-4]对现阶段的家庭花卉种植具有重要的实用价值。

目前国内外已有大量能够实现植物智能养护、培育的设备，比如McCready通过对土壤湿度和蒸腾量[5]等的提取进行智能灌溉；Click和Grow设计了一款具备自动浇水和施肥功能的智能花盆[6]；英国的皮特森设计了一款智能花盆，该花盆能通过发出不同声音来表达自身的需求[7]；日本水内郁夫研制了一款机器人花盆，该花盆可以根据需要进行移动来满足花卉的温度和光照需求[8]；国内合鸣科技、小米公司等也有相关智能花盆的研究，并且产品已在京东、淘宝热销[8-9]。为了实现花卉的智能管理，提高花卉的养护质量，本文通过Arduino硬件开发平台、机智云物联网云端平台及相关通信协议、移动手机终端、相关控制模块、相关传感器和智能花房监控所需功能研究分析，设计了一套能满足实际需求的家庭式花房智能监控系统。

1 系统总体设计

1.1 系统总体方案设计

系统由智能花架装置、供电装置、智能控制器、物联网通信设备、PC或智能移动设备组成。使用Arduino硬件开发平台为主微控制器单元(MUC)，通过环境温度检测电路、土壤湿度检测电路、光照强度检测电路和水位检测电路将数据上传给ESP8266模块，再由ESP8266模块与机智云物联网平台进行通信，在智能手机终端可随时查看花房环境信息。通过智能手机APP不仅可以看到实时环境数据，还可以手动操控浇水以及选择浇水的模式。

1.2 花房外观设计

为了方便用户浇灌花卉，需设计一个花房来放置花卉，这里将花架设计成三层，每一层放置同种类的花卉以方便浇灌。花房最下方为水箱，一方面能够蓄水供浇灌使用，另一方面也可以防止过度灌溉或其他原因导致水洒出而淋湿地面，具有一定保护作用。图1所示为花房外观图。

图1 花房外观图

2 系统硬件设计

2.1 系统硬件结构总体框图

系统硬件结构框图如图2所示。本系统硬件主要包括Arduino硬件开发平台、ESP8266 WiFi模块、PC或移动智能手机、用于采集各类环境数据的传感器、水泵、指示灯等。通过Arduino硬件开发平台将采集的各类数据上传给ESP8266模块，再由ESP8266模块与机智云物联网平台进行通信，在智能手机终端可随时查看花房环境信息。

图2 系统结构框图

2.2 电源模块

光-电直接转换方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光-电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

2.3 ESP8266模块

本文采用GoKit-SoC-ESP8266作为一个入网模块，它是机智云推出的乐鑫ESP8266升级版配套组件，其意义在于帮助传统硬件如Arduino、STM32甚至STC51等单片机快速接入互联网。完成入网之后，则可以在自己选择的物联网平台、智能手机终端、Arduino之间实现互联。

2.4 温湿度传感器模块

DHT11数字温湿度传感器是市面上最常见的一款温湿度传感器，可以直接输出数字信号。它应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，本文运用该模块测量环境温湿度。

2.5 土壤湿度传感器模块

为了测量土壤中的湿度，选用YL-69土壤湿度传感器。YL-69土壤湿度传感器模块一共有四个接口，其中D0为数字量输出，A0为模拟量输出。本文采用从A0端输出，它通过ADC数模转换可以输出更加准确的土壤湿度值。

2.6 光照强度传感器模块

为了测量环境中的光照强度，选用GY-30光照强度传感器。GY-30可测量大多数光源的光强如阳光、白炽灯等，而对红外线的影响很小。

2.7 水位传感器模块

本文根据水箱高度的实际情况，自制一种分段式水位传感器，如图3所示，传感器电源端VCC外接上拉电阻3.3 V，保证电路稳定，GND接地，S端接Arduino的I/O口，读取对应电压值。

图3 水位传感器模块电路图

2.8 水泵模块

本系统选用12 V小水泵，流量为1 L/min，吸程为3 m。此水泵优点很多，例如有“自吸”功能，即抽水前不用加引水，还使用无刷电机驱动，体积超小，安全，可长时间空转，拥有完善的自我保护自动停机功能。

3 系统软件设计

3.1 空气温度检测子系统

空气温度检测子系统用到的传感器为DHT11，通过程序将传感器采集到的数据上传给机智云物联网平台。Arduino通过程序设定判断数据是否超过上限值，以此为据使蜂鸣器发声报警，提醒用户此时的生长环境并不是花卉生长的最佳环境，可以采取有效的保护花草植物的措施，例如选择喷灌模式手动浇水，以防花卉受到伤害。图4为温度检测流程图。

图4 温度检测流程图

3.2 土壤湿度检测子系统

土壤湿度检测子系统通过YL-69土壤湿度传感器来检测土壤湿度，通过程序将数据上传至机智云平台，并判断土壤湿度是否在植物生长最佳的范围内，如果采集的数据不在设定的安全值范围内则使蜂鸣器发声报警，提醒用户此时的生长环境并不是花卉生长的最佳环境，可以采取有效的保护花卉的具体手段，例如手动浇水或者采用系统自行浇水，当达到土壤湿度最大设定值时自动停止灌溉，防止花卉受到伤害。

3.3 光照强度检测子系统

光照强度检测子系统通过GY-30光照强度传感器来检测光照强度，通过程序将数据上传至机智云平台，并判断光照强度是否在植物生长最佳的范围内，如果采集的数据不在设定的安全值范围内，则使蜂鸣器发声报警，以提醒用户，为花卉补光提供数据依据。

3.4 水箱水位检测子系统

水箱水位检测子系统通过自制传感器来检测水位高度，通过程序将数据上传给机智云物联网平台，判断水箱水位是否在合适范围，是否需要加水。

4 系统实例分析

4.1 移动监控界面

本家庭式花房智能监控系统设计通过机智云物联网平台实现在移动终端监控花房环境的功能，可手动控制水泵浇水，实时查看花房温度、土壤湿度、光照强度、水箱水位等数据，并根据设置参数来自动浇水，省时省事省力。手机监控界面如图5所示。

图5 手机监控界面

4.2 自动浇水测试

为测试自动浇水功能，可以设定一个土壤湿度上限值与下限值。若土壤湿度低于下限值，则自动浇水至土壤湿度达到上限值，以保持花草最佳生长状态。依照设定，当土壤湿度低于下限值时将打开浇灌水泵浇水，硬件RGB灯显示红灯。这里将传感器放在空气中，则土壤湿度为0，将自动浇水，硬件RGB灯显示红色，如图6所示。

图6 自动浇水测试

5 结论

本系统以机智云物联网为主要平台，通过物联网相关技术的使用，实现了家庭式花房的智能监控。本系统的设计运用使得花卉能够得到最佳的生长环境，而花卉的养护者也能够省时、省力、省心，解决了花卉智能养护问题，满足了人们绿色健康的生活理念。