基于掌控板的智能浇花系统的设计与实现

2022-07-21 06:10宋冰倩

物联网技术 2022年7期

宋冰倩

（陕西师范大学，陕西西安 710062）

0 引言

随着人们生活品质的大幅度提升，绿植已经成为每个家庭必备的物品，人们可以用它装饰房间或者净化空气。但对于经常出差的人来说，无法细心照顾它们、实时监控植物的信息、给予植物适当的营养。因此，智能浇花系统开始引起了许多人的关注。

事实上，国内外已有许多人研究并发明了各种各样的智能浇花系统。例如，英国研究者发明了会提醒主人的智能花盆；Reghukumar等人设计了通过Adafruit云平台分析植物健康状况并向农民或相关人员发送电子邮件警报；文献[3]中发明了可以动的“Plantroid”花盆机器人；罗维等人利用TRIZ理论设计了可控自动浇花装置；李明等人设计了基于Arduino的自动浇花机；杜浩博等人和王哲等人利用单片机设计了自动浇花系统。

借鉴前人的研究，本文设计一种以掌控板为控制器的物联网智能浇花系统，该系统有以下特征：一是使用微信公众平台作为物联网云平台，实现物物相连、远程控制；二是以掌控板作为控制器，可以使用少量代码实现对水泵以及三个传感器的控制；三是该系统设置了自动和手动两种浇花模式可供用户选择，方便用户养护自己的植物。

1 系统基本原理

本系统主要组成部分是：微信小程序、服务器、控制器（即掌控板）。如图1所示，通过各部分相互协作，实现了数据的交流通信。控制器的作用是把传感器所收集的所有数据传递到网络服务器上，用户用手机绑定相应服务号后，就能实现信息的查询；另外，控制器还将利用从手机端到服务器再到控制器收到的信号去控制继电器，进而控制水泵出水。服务器部分主要负责微信与物联网之间的消息处理，使用者在公众号上对设备注册与绑定后，就可以使用设备去查询与控制传感器和水泵。微信终端则是关注公众号，随时查看相关数据信息、操作水泵和继电器工作。

图1 基于掌控板的智能浇花系统整体结构

本项目最终将实现以下功能：通过微信小程序控制灯的亮度；实现远程控制自动浇花；实现远程控制手动浇花；远程实时显示植物情况，如光照度、土壤湿温度。

2 系统的硬件组成与软件设计

2.1 系统的硬件组成

（1）温湿度传感器

温湿度传感器是一个可以收集外界温度与湿度数据的器件，它属于数字类型的传感器，其具有精度高、操作简单、价格便宜的特点，被广泛应用在湿度调节器、除湿器等领域。本设计采用的DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其操作简单、功耗低。

（2）光线传感器

光线传感器是基于PT550环保型光敏二极管的光线传感器，用途是检测环境光线的强度，其原理是利用光敏二极管对光线的敏感性，使电压电流发生变化，进而转化为相应的数值。学生常在创客类比赛中用其制作感应灯等互动作品。

（3）土壤湿度传感器

土壤湿度检测由土壤湿度传感器和A/D转换电路构成，其中土壤湿度传感器外表是不锈钢探针和防水探头，可埋在土壤内使用，用于检测表层和深层土壤中的水分子含量，A/D转换电路主要是将得到的模拟信号转换成数字信号输出，然后掌控板对获得的数字信号进行分析处理。土壤湿度传感器还可与Arduino、Microbit等开源硬件搭配使用，用来检测土壤湿度值。

（4）继电器

继电器由控制线圈、触点簧片、衔铁和铁芯构成，是一种用电调节控制的“活开关”，也就是用小电流去控制大电流；它一边连接控制器，另一边连接输出设备（水泵），且它有公共端、常闭端、常开端三个接线处，使用者可根据产品需要选择常闭或常开端。本文设计的浇花系统是连接公共端和常闭端，就是默认状态下水泵是不工作状态；当电流发生变化时，才会打开水泵。由此可见，继电器连接着控制系统和被控制系统，发挥中介开关的作用。

2.2 软件设计

本设计中采用的掌控板自带物联网模块，方便设计与安装。软件使用mPython，该软件有图形化编程和Python两种模式，模块种类多，还提供代码库、通用传感器等，新手很容易使用。程序编写具体思路如下：首先给系统供电；然后开始初始化，连接网络，若连接成功，则开始采集光线值、温度值、土壤湿度值，将采集的数值在显示屏上显示，并上传到服务器；用户在小程序上绑定账户后，可以在小程序上以折线图的形式查看植物的一些生长信息；最后用户可以在小程序上选择手动与自动浇水其中一种模式，若手动，则用户远程自己控制继电器开关，让水泵出水，若选择自动模式，就先判断土壤湿度值是否大于或等于2 500，以此来决定继电器开关以及水泵出水。程序流程如图2所示。