基于物联网的智能电视背景“生态墙”设计*

卢方禹 邓旭 王嘉祺 郭桂龙 焦海宁 周谭熊

(南通大学杏林学院,江苏南通 226200)

0 引言

随着科学技术的提升,室内高科技产品层出不穷,电视俨然已经成为每个家庭不可或缺的一部分。在结束一天的工作之后,坐在沙发上看一会儿电视,忘却一天的疲惫,带来一种舒适感,但长时间的看电视会使眼睛感到疲劳,所以电视背景墙是十分重要的。“榆柳荫后檐,桃李罗堂前”,从古到今,人们都觉得生活在有生机的环境中更让人舒适开心。所以我们设计并开发出一套“基于物联网的智能电视背景生态墙”系统,它不仅可以使房间充满生机,还可以缓解眼部疲劳,而且也不用担心背景墙上的植物因没有时间照顾而枯萎。

1 系统总体设计

1.1 系统总体设计方案设计

系统基于Arduino开发平台的单片机开发板系统实现对电视背景墙各个参数的采集和管控。为了实现远程控制,可以通过开发板中的EMW3080模块,随时可以通过手机APP,进行远程数据管理。

电视背景墙系统是基于Arduino开发平台的单片机开发板系统实现,一共有三大模块,其一是EMW3080模块,通过连接WIFI将数据传输给开发板上在阿里云物联网平台进行处理,这一功能可以实现对数据的远程管控;其二是传感器模块,在电视背景墙周围布下需要探测该参数所需的传感器,通过驱动板的收集电路传入Arduino开发板对应的串口中,经过开发板中芯片的数据处理,实现对数据的采集;其三是驱动器模块,通过水泵、蜂鸣器与LED灯来响应芯片处理的数据,实现对数据的控制,系统框架图如图1所示。

1.2 电源模块

该系统的电源为太阳能供电,通过太阳能板的光电转换,把接收到的能量转换成电能。其原理就是当太阳光照射到太阳能板上的二极管(即光电二极管)时,二极管会把光能转换为电能,从而产生电流,当一块太阳能板上有多个二极管时,输出的功率非常可观。相对于传统的电源供电,太阳能供电更加环保,使用寿命更长。

1.3 温度模块

图1 系统框架图Fig.1 System framework diagram

本文中温度模块是采用了BME280温度检测模块[1],该模块可以实现温度检测、气压检测以及海拔检测,在本系统中温度模块要实现的功能仅需要温度的检测,在本课题中可以结合ARDUINO单片机检测室内的温度,随时检测室内温度,并将数据通过WIFI模块传送到物联网阿里云模块,方便用户随时查看温度是否适合家中植物生存。

1.4 光照强度模块

光照强度检测,即对植物周围的光照强度进行检测,并将所检测到的数据上传到云端便于用户查看。在光照强度不足时提醒用户且打开led灯用于模拟光照补充植物的光照。

本设计可以使用光敏电阻对光照强度进行模拟信号采集,并通过ARDUINO mega2560开发板自带的ADC将数据转换为数字量,传输到数据处理芯片中,判断光照强度是否达到设定阈值内,进行下一步处理。

1.5 土壤湿度模块

为了测量土壤中的湿度,选用YL-69土壤湿度传感器[2]。YL-69土壤湿度传感器模块获取湿度信息的方式(2种可同时使用):

(1)从传感器的D0引脚:土壤湿度大于某个阈值,则D0输出0,否则输出1。(多用于湿度阀值控制开关)。(2)从传感器的A0引脚:获取到模拟量,更加精确。土壤湿度越大,获取的模拟量值越大。(多用于显示实时湿度值)

1.6 WiFi模块

本论文使用EMW3080实现WiFi连接,EMW3080使用3.3V供电,内置Wi-Fi模块,集成了Wi-Fi和Cortex-M4F MCU,支持高达133M的主频率和256K RAM,拥有强大的浮点运算能力,其加密版本可以对用户的固件进行加密,防止被破解,使用20MHz带宽时最大传输速率达到72.2Mbps,使用40MHz带宽时最大传输速率达到150Mbps,主要用于智能照明、智能家居、工业自动化、智能安防等领域。其工作环境温度:-20°～85°。支持阿里云物联网平台。

1.7 led灯

图2 自动灌溉图Fig.2 Automatic Irrigation Map

本次使用的led灯作为补充光照强度的照明设备,当光照强度过低时,开启led灯来增加光照强度。而达到设定值时,led灯自动关闭,这样可以最大化的节约能源,符合本次设计的低碳环保要求。

1.8 水泵模块

本系统选用12V小水泵,流量为1L/min,吸程为3m。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。

2 智能终端的软件实现

2.1 环境温度检测

空气温度检测子系统用到的传感器为BME280,通过程序将传感器采集到的数据上传给阿里云物联网平台,用户可以随时通过手机APP来观察花草生长环境的温度。Arduino开发板通过程序设定判断所采样数据是否超过上限值,以此为据使蜂鸣器发声报警,提醒用户此时的环境温度并不适宜花卉的健康生长,应当可以采取有效的保护花草植物措施例如选择喷灌模式手动浇水,消除不利于花草生长的因素,以防花卉受到伤害。

2.2 温湿度模块的软件实现

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阿里云平台,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,提醒客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等系统自行浇水是土壤湿度达到最大,防止花卉受到伤害,自动灌溉图如图2所示。

2.3 采集光强

本次选用的是光敏电阻类的传感器,其原理是在有光照的情况下,可见光能够激发光敏电阻中的电子-空穴,这时光敏电阻的阻值就会因为电阻中电子-空穴数量的增多而表现为阻值下降,将光照强度转化为电信号再通过驱动板的手机电路将电信号传输到开发板中。

3 用户操作界面的设计

本智能电视背景“生态墙”系统通过移动终端将数据传输至云端,再通过手机APP将云端的数据下载,从而能够做到实时监控当前盆栽所处环境的光照强度,环境的温湿度以及土壤的湿度。根据APP所显示的数据,用户可以通过APP的设置界面,对电视背景墙的盆栽进行合适的调理,使得在设定的条件下,电视背景墙依照所设定的内容为植物改善合理的环境,让植物一直保持在最适合生长的状态。如果对于栽种盆景的技术不太熟悉,也可以调定智能模式,在此模式下,他会根据用户所选择的花草,来进行合适的培养,使得生态墙充满生机。

4 结论

本次设计应用了Arduino系列的开发板。其具有许多优势,它可以跨平台操作,简单清晰适合新手上手,开放性强,可以在在开源协议范围内里可以任意修改原始设计及相应代码。这些优点都能很好的说明此次设计是可以被大众广泛认知并使用的。