智慧种植云管家

天津职业技术师范大学 张 迪 刘新月 王 鹏 马文凯 李秉恒 王亚杰 苏 鹏

本文提出了一种智慧种植云管家。该项目利用物联网的最先进技术来实现智能种植系统。以Arduino Nano为主要技术支持，主要用于土壤的综合管理，如温度、光照、湿度等环境参数的自动检测，并确定何时灌溉、通风。如果发现环境参数超过了阈值，智慧云管家则可以报警并自动采取对策进行处理。同时云管家可以随时随地识别植物生长状况。

随着人们生活质量的不断提高，人们将在阳台和后院种植植物，使生活更加丰富多彩。植物的生长离不开水的支持，但是，当人们在出差或旅游中时，植物生长所需的水和阳光无法得到保证，从而构成干旱或死亡威胁。大多数传统灌溉方法都使用人工灌溉，即通过主观的人类意识来判断植物是否需要浇水，但是不同的植物有不同的需水量，特别是一些稀有植物，其需水量要求更高。如果遇到长时间的降雨或连续几天的日照，当水分过多时会导致根茎腐蚀，或者植物因缺乏水分而枯萎而死亡。因此，迫切需要一种可以测量土壤温度，湿度和外部阳光的方法，以便为植物的健康生长提供充足的灌溉和光照。本文主要使用Arduion单片机作为控制核心，通过各种传感器从植物周围的环境中收集信息，将其提交到云服务平台，用户可以通过操纵手机客户端应用程序来维护和监视远程设施。

1 系统工作原理

本文设计的智慧种植云管家主要实现对家中植物进行实时监控及护理功能，大大提高了植物的生存能力。通过WIFI模块实现数据传输及指令执行，通过实现互联网应用，减少像人工这样的工作环节，提升工作效率。其整体系统图如图1所示。

图1 智慧种植云管家系统图

根据实际应用功能设计需求，智慧种植云管家通过温湿、光敏传感器等感应植物泥土的温湿度及周围环境情况并通过WIFI模块传递给云平台，使用手机端实时监控植物生长情况，用户可通过上传的数据自行判断或通过微处理器自动判断植物是否缺少水分、光照等。若要增添水分光照等，即可通过云平台将指令发送给微处理器并控制继电器进行灌溉以及补光，也可由微处理器自行判断进行灌溉及补光，从而实现为植物远程的护理。

2 系统硬件设计

本文设计的智慧种植云管家硬件系统主要包含电源电路、控制电路、外围电路（显示电路、检测电路、驱动电路、补光电路、通信电路）组成，其系统设计框图如图2所示。

图2 系统设计框图

通过系统的框图可看出，硬件系统以ARM处理器Arduino Nano为核心，外围配置显示电路、LED信号灯、温湿度传感器、补水补光电路以及通讯模块等，从而环境数据检测、灌溉补光、物联通讯等功能。

2.1 电源电路

电源电路负责整个装置的的用电需求，该设备使用直流稳定电源来提供稳定的直流电压。直流稳压电源是一种将220伏频率的交流电流转换成恒定直流电的装置。它分为四个阶段：电压转换、整流、稳压和滤波。它通常由一个电源变压器、一个反流过滤电路和一个稳定电路组成。

2.2 控制电路

该控制电路的微处理器使用Arduino Nano型开发板。Arduino单片机具有很高的处理运算能力，使用C语言编程环境，控制方便，功耗低，体积小，具有广泛的I/O端口资源，并且是集成的。使用+5V直流电源，具有多功能性和低成本的优点。

Arduino Uno开发板通过输入输出收集温度、水分和环境因素感应器发出的信号。可通过终端在机智云中启动照明、灌溉、窗户等，并改善生态环境。通过WIFI模块将传感器加载的参数发送到机智云服务器，以允许通过移动设备进行移动访问。微处理器作为整个装置的核心，主要作用为收发控制指令、数据分析以及监控控制，从而控制各个模块正常工作，其实物图如图3所示。

图3 智能种植云管家原理图

2.3 外围电路

外围电路包含显示电路、检测电路、继电器驱动电路、补光电路、通讯模块等组成。

2.3.1 显示电路

它使用LCD1602液晶显示器，其主控芯片为HD44780，主要优点是LCD1602重量轻，功耗低，具有强大的防干扰能力和高屏幕分辨率，一次可显示32个字符。主要对检测参数时间进行读取显示，更方便用户的观察。

2.3.2 检测电路

本装置采用型号为SLHT5-1的温湿度传感器，连接主控单片机，信号采集和处理后，温度和湿度通过滤波电路、V/I转换、运算放大、恒电流和反向过压的防护，转换为电流信号或信号的电压与温度和湿度的线性关系，把模拟量转换为数字量输出，其湿度范围为0-100%RH，温度测量范围为-40到+123.8℃，湿度测量精度为±3%，温度测量精度为±0.4℃。通过温湿度传感器即可测量植物土壤温湿度等数据，具有较高的灵敏度。

2.3.3 驱动电路

在整个控制电路中，驱动电路由继电器实现，使用三级管来控制继电器的运作。当三极管导通，继电器闭合，从而启动自动灌溉装置，实现对植物的自动灌溉。

2.3.4 补光电路

高亮度的白色LED灯用作附加的照明电路。高亮度LED是一种新型的LED，其亮度是传统LED发光二极管的约100倍。高亮度LED灯具有可靠实用，寿命长，光照强等优势。在这种结构中，三极管控制高亮度LED灯的开和关，并且限流电阻器用于保护三极管。当三极管由正电压接通时，从而启动补光装置，实现对环境的补光，提供足够的光照。

2.3.5 通讯模块

采用型号为ESP8266 WIFI模块实现通信，上位机是由云平台开发和设计的。由云官方提供的GAgent固件烧录到ESP8266 WiFi模块中，然后移植串行接口协议。初始化ESP8266-WiFi模块后，将初始化数据，并可以通过上位机和微控制器进行数据处理。交换通信内容并将其保存在云开发者中心，以实现对系统的监视和维护。

3 系统软件设计

智慧种植云管家软件的设计基于硬件系统，通过设计软件程序来执行智慧种植云管家植物的数据检测，数据传输和灌溉。系统软件的设计包括智能种植云控制系统的程序设计（图4）以及PC端上位机软件设计的两个部分（图5）实现了智能云管理控制和人机界面。

图4 系统设计图

图5 上位机软件界面图

该系统支持C语言结合汇编语言的混合编写，较低的驱动程序与主语言的编写相关联，外部使用C语言接口。在Arduino IDE5.0上安装开发环境，从智能云中导入开发材料文件，为不同的功能开发存储模块，编译程序并下载到开发版本进行调试。系统方案主要启动主程序与子程序，APP远程控制模块，用于读取环境光、土壤水分、空气温度的子程序的子程序。

PC端的主机软件设计用于人机交互，并在计算环境中实现对云管家的远程监控。本设计采用机智云作为第三方应用平台，并使用ESP8266射频模块与机智云平台连接，实现APP远程控制，互联网或LAN通信。机智云服务平台接收系统传感器加载的远程客户端可访问和观看的参数，接收远程客户端订单，控制参数通过运行模块通过无线电模块和环境参数调节系统传输到Arduino控制器。该平台为用户提供API接口、数据存储和处理服务功能，以及智能硬件开发框架和云服务功能。平台上可以立即确定产品进行开发和调试设备的一侧，并提供应用开发、测试、产品发展云计算和数据服务，涵盖所有智能设备的生命周期。PC上计算机接口如图5所示。

结束语：本文提出一种智慧种植云管家，综合运用物联网技术的实时动态信息收集系统，对植物进行了快速，多维，多尺度的实时监控，并进行了综合管理。该系统可以自动检测光线，通风，温度，湿度等，促进植物健康发展，是农业与物联网技术的有机结合，是科技化农业的重要标志。建立基于物联网的智能农业系统将提高植物的容错种植率，提高植物的可种植性。