阳台植物智能监测管理系统的设计

张云ZHANG Yun

（安徽开放大学，合肥 230022）

0 引言

在疫情防控常态化大背景下，为了保障社会及个人的安全，在休息时间，越来越多的人选择呆在家中，减少外出，减少聚集。而长期居家容易造成心理压力增大，心情烦躁等心理问题[1]。在这种情况下，人们可以通过在阳台种植喜欢的植物来丰富自己的居家生活，转移焦虑，陶冶情操，缓解心理压力，从而保持良好心理状态[2]。目前，国内的城市建筑以高层商品房为主，大多数家庭种植植物只能选择在阳台，而阳台各方面条件的限制以及种植技术等因素容易影响植物健康生长，降低植物存活率；再者，人们因为工作繁忙等原因无法花费更多的时间和精力照顾植物，很多植物因缺乏生长条件而无法存活[3]。

阳台植物智能监测管理系统利用空气温湿度传感器、空气质量传感器、土壤湿度检测器、光照强度传感器获取植物周围空气的温湿度、空气质量、土壤的含水量、叶面的光照强度等数据，再将数据上传至上位机，用户可以登录系统平台获取植物相关参数，并根据系统给出的建议进行相关操作，从而提高植物的存活率，让植物会更加健康更加茁壮地生长。

1 系统设计

1.1 硬件设计

阳台植物智能监测管理系统硬件使用ESP8266 作为主控芯片，其低功耗、紧凑设计和高稳定性可以满足用户的需求[4]。主控芯片ESP8266 定时采集各个传感器的数据，再通过自带wifi 功能，通过以太网将采集到的数据上传到上位机。系统使用数字温湿度传感器芯片SHT11 获取植物周边空气温湿度。系统使用空气质量传感器M701A 获取植物边空气质量数据，文章主要使用其测量颗粒物浓度和二氧化碳浓度的功能，根据这两个参数确定当前植物生长的空气质量。系统使用土壤湿度传感器MT-10 获取植物土壤温湿度，该传感器性能稳定，灵敏度高，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。系统使用光强传感器BH1750 获取植物叶面光照强度，可以通过设置寄存器来改变光强分辨率。

阳台花卉管家硬件还包括执行机构——浇水电磁阀、喷水电磁阀，控制风机电源的继电器、控制补光灯电源的继电器。系统的硬件结构图1 所示。

图1 硬件结构图

1.2 软件设计

阳台植物智能监测管理系统包含上位机和下位机两部分程序。

下位机程序运行在ESP8266 单片机上，该程序主要分为两部分，一个是负责获取各个探测器采集的数据，并通过以太网将数据定时上传到上位机；另一个是负责接收来自上位机的指令，控制浇水、喷水、通风、补光的执行结构进行相应的操作。

上位机程序主要用于接收下位机上传的数据，结合数据库中当前植物生长所需的状态，以及该植物之前一段时间的生长状态数据。对当前植物生长状态进行整体分析，给出当前植物的生长状态信息，判断植物各项数据是否正常，并给出相关的操作建议，如土壤湿度过低可以通过浇水功能增加土壤湿度；空气湿度过低可以通过喷水功能增加空气湿度等。若在用户打开自动操作模式的情况下，系统自行根据采集到的相关数据进行分析，并得出需要进一步执行的操作，将需要执行的操作下发到下位机，下位机根据指令进行相应的操作。自动操作模式工作期间，系统定时获取下位机数据，一旦相关数据满足植物生长环境的需求，则通知下位机停止当前操作。上位机软件流程图如2 所示。

图2 上位机软件主流程图

2 功能模块

2.1 用户登录

为防止他人误操作保护个人隐私，软件在使用前需要进行注册。注册完成过，可以在登录界面登录进入系统。在用户登录过程中，系统会自动检测用户账号密码是否匹配。若账号不正确，系统会给出提示，并登录不成功；账号正确才会登录成功。为了区分正常人和机器的操作，拦截恶意操作行为，系统设置了验证码。

系统登录完成后，用户需要手动登记当前花盆里的植物名称，并填写当前植物的一些基本信息，方便系统对当前植物的生长状态预处理。

2.2 观察植物基本数据

系统利用空气温湿度传感器、空气质量传感器、土壤湿度检测器、光照强度传感器获取植物生长的相关数据，并将相关数据直观显示出来。当用户登录进入系统后，可以在系统主界面看到不同植物当前的环境数据：空气的温湿度、空气质量、土壤含水量、叶面的光照强度以及植物当前的生长状态。系统主界面如图3 所示。

图3 阳台植物智能监测管理系统主界面

空气温度：植物生长的每一个过程和时期都会受到空气环境温度的影响，适宜的温度可以促进植物的生长，让植物长得更加茁壮。空气环境温度过高或过低都会导致植物生长缓慢，影响植物生长发育，严重时直接会导致植物死亡。

空气湿度：空气湿度对植物的生长发育影响较大，植物的蒸腾作用会受到空气湿度的影响。蒸腾作用可以加速植物水分的吸收，也可以加速植物矿物质的运输，促进植物的生长。空气湿度过大则会抑制蒸腾作用，有利于病菌的生长，引起病虫灾害；空气湿度过低会影响植物的光合作用进而影响植物的生长。

土壤水分：土壤水分是盆栽植物吸收水分的主要来源，土壤水分的含量会直接影响植物的生长状态，它是维持植物健康生长的重要条件。土壤水分过多，容易导致植物生长缓慢以及植物黄叶、徒长，长时间的土壤潮湿会滋生有害细菌，降低土壤的透气性，最终造成植物根部腐烂，枯萎死亡。土壤水分含量过少，植物的根部无法吸收足够的水分，无法满足植物正常生长所需的水分，会导致叶面脱水，如果长时间缺水，植物会干旱枯萎。

光照强度：没有光照，植物就无法进行光合作用，从而影响植物的生长。不同植物对光照强度的需求也是不一样的，即使是同一种植物，在不同生长阶段所需要的光照强度也是不一样的。适宜的光照强度是植物健康生长必不可少的条件，特别一些喜阳的植物，为植物提供充足的光照强度至关重要。如果阳光不足，则植物生长就会受到影响；如果光照过长或过强，会导致植物叶面晒伤，严重时还会晒死植物。

植物生长状态：根据当前传感器收集的植物各类相关数据，系统会自动分析当前植物周围空气的温湿度、空气质量、土壤含水量、叶面光照强度相关数据，并给出植物当前的生长状态以及建议相关操作：正常、建议喷水、建议浇水、建议通风、建议补光。

2.3 操作功能

浇水：在种植过程中，浇水量是植物生长存活的关键。通过浇水可以增加植物土壤水分，维持植物生长所需的水分。不同季节不同品种植物生长期间对水需求量是不一样的，系统会根据植物种类、花盆的大小、植物的生长阶段、不同季节等各方面因素并结合传回来的基本数据，给出实施浇水的建议，以保证植物生长过程中必要的浇水量。系统会自动分析当前植物缺水状态，同时会在主界面直接显示。如果用户打开自动浇水的功能，系统会自动对植物浇水，当土壤湿度达到要求会自动关闭浇水。同时用户也可以根据自己的需求手动点击浇水按钮进行浇水。

喷水：在种植过程中，通过喷水可以增加空气的湿度，特别在秋冬季节气候比较干燥的时候。在植物幼苗时期也要多注意喷水的次数，确保植物生长的空气湿度。若是一些生长期间需要大量水分的植物，经常喷水也可以促进植物快速生长。系统会根据植物的生长特性，结合传回来的基本数据，给出实施喷水的建议，以保证植物对水分的需求。系统会自动分析当前植物周围空气环境湿度，同时会在主界面直接显示当前空气湿度。如果用户打开的自动喷水的功能，系统会自动对植物叶面和周围空气主动喷水，当周围空气湿度达到植物生长要求后会自动关闭喷水。同时用户也可以根据自己的需求手动点击喷水按钮进行喷水。

通风：在种植过程中，通风不好会导致植物周围二氧化碳浓度偏低、周围空气湿度高，细菌繁殖快，长时间通风差会抑制植物生长，导致植物病菌感染直至枯萎死亡。系统对植物周围的空气质量数据进行分析后，会给出是否需要通风的建议。如果用户打开的自动通风的功能，系统会打开风机，增强通风，一段时间后再关闭风机。用户也可以设置定时通风，系统会在指定的时间打开风机进行通风。

补光：在种植过程中，光照会直接影响植物生长，不同的植物对光照有不同的需求，系统在获取光照数据后，会根据植物对光照的需求，给出是否需要对植物进行补光操作。如果用户打开的自动补光的功能，系统会自动打开补光灯，增强光照，当光照时间满足植物需求后，自动关闭补光灯。用户也可以设置定时补光，系统会在指定的时间打开补光灯给植物补光。

3 结论

本文设计的阳台植物智能监测管理系统能够实现对植物生长基本数据的采集，并将采集到的数据通过以太网传输到上位机，上位机根据采集到的基本数据，对当前植物生长的环境进行分析，及时提醒用户当前需要对植物进行哪种操作，也可以自动对植物进行浇水、喷水、通风、补光等操作。在种植植物过程中，该系统可以帮助人们提高植物的存活率，减少人们在种植过程中需要花费的时间和精力，缓解人们的工作压力，提升人们的生活质量，同时也具有较好的应用价值。