基于物联网的无土栽培智能绿植阳台系统

李 娟 李海川 郑泽丰

（广东好太太科技集团股份有限公司，广东 广州 510000）

0 绪论

当代人们的居住环境与办公环境大都种植了绿植，用来净化空气、吸收二氧化碳以及防辐射等。且在人们忙碌的工作过程中，看到一抹绿色心情也更加愉悦，可缓解日常烦躁、焦虑或不安等负面情绪。

越来越多的人想在自家阳台或者办公桌上种上一些绿植，但苦于没有足够时间和精力，所以放弃种植绿植，也可能因为自己没有经验去养护这些富有活力的绿植，最后种植绿植这件事就以失败告终。

智能绿植阳台系统就可以解决该问题，使人们不用花费过多的时间与精力去养护这些绿植，也不需要去学习绿植养护的知识，不需要去请教别人经验，直接使用智能绿植养护阳台系统就可以实现。

1 系统整体设计分析

该设计的绿植阳台智能系统构成涉及绿植阳台控制系统、阿里IoT云平台、好太太智联App。技术方案如图1所示。

图1 绿植阳台智能系统

图2 智能绿植阳台控制系统设备框图

图3 系统硬件框图

绿植阳台控制系统由数据采集模块、智能数据分析模块、智能控制模块以及无线通信模块组成（如图2所示）。数据采集模块通过氮磷钾传感器、pH传感器、光照传感器、温度传感器、水位传感器实时监测系统状态并将检测的数据通过RS485总线传送到智能数据分析模块。智能数据分析模块将接收到的传感器数据进行加权平滑处理，计算分析当前绿植生存环境数据与当前培育绿植所需的生存环境差异，并向智能控制模块下发相应指令。智能控制模块通过RS 485总线接收智能数据分析模块下发的数据，并执行相应操作（打开/关闭灯光，打开/关闭水泵，打开/关闭温控器、按比例调配营养液、输送营养液）。

绿植阳台控制系统的智能数据分析模块同步通过Wi-Fi和Internet通信技术连接阿里IoT云平台，并将数据采集模块采集到的实时环境数据和设备故障信息推送到阿里IoT云平台。由阿里IoT平台将数据推送到用户的好太太智能App上。

好太太智能App集成专家模块，向用户推荐符合相应绿植各生长周期所需的各项生存环境参数，根据用户所选择培育的绿植类型，将对应的专家参数推送到阿里IoT云平台，由阿里IoT云平台向绿植阳台控制系统推送对应数据。绿植阳台控制系统根据接收到的专家参数对系统各项指标进行实时自动调节，以满足当前培育绿植的各项生存环境参数。

2 系统电控设计分析

2.1 系统硬件设计分析

2.1.1 系统硬件总体设计

该系统硬件组成如图3所示，由能数据分析模块、监测模块、水泵模块、加热模块、补充模块、Wi-Fi模块、显示模块及电源模块组成。电源模块给智能数据分析模块、监测模块、水泵模块、加热模块、补充模块、Wi-Fi模块以及显示模块供电，其中智能数据分析模块为主要控制核心，监测模块用于监测水位、氮磷钾、温度、光照及pH值，水泵模块用来进行补水，加热模块用来控制温度，补充模块用来补充氮磷钾，Wi-Fi模块用来传输数据给App，并接受APP发送的指令使设备执行相应动作，显示模块用于在设备上显示当前环境状态，并可在显示屏上进行设置。

2.1.2 光照监测模块

该模块使用HA2003光照传感器，高精度的光照强度测量体积小巧，IP65防护等级设计传感器结实、耐腐蚀响应速度快，小于1 s可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输的时候没有信号衰减，采用先进光电转换模块，将光照强度值转化为电压值，再经调理电路将此电压值转换为0 V～2 V或4 mA～20 mA[1]。

2.1.3 pH值监测模块

该模块使用pH传感器PH-BTA来监测当前pH值。pH传感器是用来检测被测物中氢离子浓度并转换成相应的可用输出信号给传感器，通常由化学部分和信号传输部分构成，pH传感器常用来进行溶液、水等物质的工业测量，传感器内部的pH放大器是一个能通过数据采集器监测的有标准pH电极的电路。传感器连接线的末端是一个BTA插头或一个5-Pin DIN插头来与数据采集器连接[2]。

2.1.4 氮磷钾监测模块

该氮磷钾监测模块采用RS485型氮磷钾变送器，该传感器完全密封，耐腐蚀性强，可直接埋入土中或投入水中进行长期的监测，性能稳定、灵敏度高。该传感器由电源模块、信号放大模块、温度补偿模块及数据处理模块组成，其将土壤含水率、电导率、温度和氮磷钾6个参数合一。通过该传感器对当前氮磷钾浓度进行监测，将当前值与预设值进行比较，当大于预设值时，进行稀释，小于预设值时，进行补充。

Wi-Fi控制模块

3 好太太智联App

3.1 App功能概述

智能种植机接入好太太智联App，除了内置用户账户注册登录功能，需要具备设备管理、传感器参数显示、设备状态显示、种植菜品选择和功能控制。智能种植机App功能如图4所示，其中，设备管理需要具备设备配网绑定（Ap热点配网和抢占式绑定），设备解绑，在App首页显示设备列表等功能。在设备详情页中，还需要支持传感器参数显示（包括光照传感器、pH值传感器、氮磷钾传感器、温度传感器、高低水位传感器）以及传感器手动检测功能。设备状态显示显示设备的工作状态，例如完成自动调整/正在调整，同时还会显示调整的状态，（“补水中”“补酸中”（pH）“补氮中”“补磷中”“补钾中”“水循环中”“照明开启中”）。在种植机中，还提供20种常见种植绿植的参数组和1组用户自定义参数，用户可以选择种植的类型或手动输入参数来确定参数自动调整的目标值。在App中，还提供手动照明开关，在绿植需要补光的情况下，可以手动开启照明开关。

3.2 App数据拓扑图

智能种植机通过Wi-Fi模组借助路由器使用MQTT协议连接到好太太IoT云平台，手机App使用Https及MQTT协议连接到好太太IoT云平台，如图5所示。

3.3 App主要功能

3.3.1 用户账户注册及登录

用户注册及登录界面如图6所示，用户账户注册与登录是好太太智联IoT平台内建的账户体系，通过App可以完成用户账户的注册、登录、找回密码、退出登录以及修改用户头像、昵称等功能。用户账户通过与IoT平台的认证服务进行创建。

3.3.2 设备配网

需求描述：通过好太太智联App将设备接入网络并绑定用户账户。

行为者：App注册用户。

前置条件：用户注册并登录App。

后置条件：完成设备配网及绑定，设备在首页显示。

其他说明：设备支持AP配网，为抢占式绑定（新绑定关系可以将旧绑定关系解除）。

业务规则有2条。1）设备绑定后，当有多台相同设备时，在设备名称后面追加数字序号。2）设备绑定后进入设备列表显示页面。

3.3.3 设备解绑

需求描述：用户解绑设备。

行为者：App注册用户。

前置条件：用户为设备管理员并且已登陆App。

后置条件：用户和设备解除绑定。

业务规则有5条。1）只有管理员可以解绑设备。2）用户设备解绑，弹窗进行二次确认。3）设备成功解绑后Toast提示用户解绑成功，然后返回首页。4）设备删除失败时，弹窗提醒用户，并建议用户重试。5）设备恢复出厂设置时，清除绑定关系。

图4 功能概述图

图5 App数据拓扑图

3.3.4 设备列表显示

需求描述：设备在好太太智联App首页中进行显示

行为者：App注册用户。

前置条件：用户已经是设备管理员。

后置条件：用户在好太太智联App中可以看到绑定的设备。

业务规则有2条。1）用户进入首页时，刷新设备在线状态。2）设备离线时，依然可以进入设备详情页面，但进入后弹窗提醒用户设备的状态，引导用户检查网络或重置配网，并可返回首页，也可进入设备设置页面进行设备解绑。

3.3.5 传感器参数显示

需求描述：用户可以在设备详情页查看设备上报的参数。

行为者：App注册用户

前置条件：用户已经是设备管理员。

其他说明：传感器参数主要有：光照传感器、pH值传感器、氮磷钾传感器、温度传感器、水位。

业务规则有3条。1）设备上报参数为1次/min，App收到云端推送后同步更新。2）每次进入设备详情页时，请求硬件更新参数。无参数时显示“——”，更新时显示上次更新的数据，标题显示更新图标。获取到新数据时，直接更新界面，不要出现黑色全屏加载遮罩。3）水位显示为“低水位”“高水位”“正常水位”，光照时间上报为MIN，需显示为小时+分钟格式。

图6 用户注册及登录界面

3.3.6 设备状态显示

需求描述：用户可以在设备详情页查看设备工作的状态。

行为者：App注册用户

前置条件：用户已经是设备管理员。

业务规则有2条。1）设备正在调整参数，上报状态为：“调整完成”，“正在调整”。2）当设备状态调整时，同步显示正在调整的参数，例如“补水中”，“补酸中”（pH），“补氮中”，“补磷中”，“补钾中”，“水循环中”，“照明开启中”。

3.2.7 灯光开关

需求描述：用户可以在App中打开或关闭灯光。

行为者：App注册用户。

前置条件：用户已经是设备管理员或是设备被分享者。

业务规则有2条。1）进入App界面时，更新状态。2）用户可以打开或关闭开关，优先响应用户操作（不显示加载框），当打开失败时，弹窗显示（智能种植机打开灯光失败，请检查网络状态）。

3.3.8 更多设置

需求描述：用户点击更多设置，可以查看设备名称、型号以及设备DN码，并可以在此页面解绑设备。

行为者：App注册用户。

前置条件：用户已经是设备管理员。

后置条件：用户在好太太智联App中可以看到绑定的设备。

业务规则：设备名称可进行修改。

4 结语

该设计的绿植阳台智能系统通过绿植阳台控制系统、阿里IoT云平台以及好太太智联App实现对绿植的智能养护，解决了人们没有时间、精力及经验去养护绿植的问题。通过不同的传感器实时监测环境参数，并自动进行调节，实现智能绿植养护。并将实时环境状态上报App，人们可以随时看到绿植养护情况，可远程进行看护，便利了人们的生活。