基于STM32及触摸屏的智能室内种植装置设计*

许国柱，曾祥苹，栗 江，吴天明，陈海锋

(广州南洋理工职业学院，广东 广州 510925)

0 引言

研究表明：在绿色环境中脉搏平均减少4次/min～8次/min，呼吸慢而均匀，心脏负担减轻，对神经系统起镇定作用。所以除室内“硬装修”之外，越来越多的人开始重视居室的“软装修”。“家庭园艺”在城市人们的生活中不断流行起来。例如：在办公区域摆上几盆绿植，足以缓解上班族工作的疲倦；在地铁、火车站等人流密集场所种植一些花草，既可清新空气还可放慢人们忙碌的脚步；在家里的阳台或楼顶等私人领地种种蔬菜和花草，既可陶冶情操还可吃上新鲜健康的蔬菜。

然而，因植物受外界环境气候的影响，传统的室内种植方式较难打理且费时费力，已无法满足现代都市人的基本要求。伴随着“互联网+”信息化时代的到来，家庭园艺则被插上了科技的翅膀，将物联网技术应用于家庭园艺养护系统，使得室内种植变得更加便捷化和智能化，各种现代家庭园艺产品也应运而生，如：种植柜设备、家庭农场、植物墙和紫外线植保仪等。然而，市面上现有的种植柜产品普遍存在体积大、占地面积大和外形单一的问题。本文设计的种植柜采用蜂窝型、模块化设计理念，种植柜形状大小可自由调节、外形美观，且易打理、使用便捷，在家庭园艺产品的微型化、便捷化和智能化发展方面具有一定的实际应用价值。

1 种植装置外形结构设计

智能种植柜产品早在2018年世界制造业大会上就已出现，然而，通过市场调研发现：目前市面上已有的种植柜产品在结构上普遍采用方形柜体结构(如图1所示)，适合大面积种植，价格昂贵，且占地面积大，不适合于“家庭园艺”。对此，本文中的种植柜装置则在外形结构上创新性地采用“蜂窝型”设计，其亮点在于：应用模块化设计理念，利用正六边形具有无缝隙稳固重合的特性，选用轻便环保材料，将若干个正六边形种植框通过卡扣自由组合叠加并挂墙放置(如图2所示)，因形状类似于“蜂窝”，故“蜂窝型”种植柜由此得名[1]。该创新性结构设计优点在于用户可根据个人喜好自由组合叠加种植柜的形状和大小，既可多个组合挂墙放置，也可单个使用类似于盆栽随处携带和摆放，种植面积灵活可调，外形美观，垂直种植不占地。

图1 方形柜体结构种植柜 图2 蜂窝型柜体结构种植柜

2 种植装置控制系统设计

单个种植框功能结构如图3所示。以STM32单片机为主控制器，应用种植海绵作为栽培基质进行无土栽培，水箱中储存配制好的营养液，一定的营养液储存可免去每日进行浇灌的麻烦；利用水泵和种植框内壁附着的管道可将营养液运送到种植区向海绵自动喷洒营养液；湿度传感器可实时检测海绵湿度，当海绵湿度不足时，由单片机控制水泵向海绵种植区自动喷洒营养液，保证植物生长营养所需；海绵种植区底面设有小孔，可将多余营养液流回水箱，形成供水循环，不易滋生蚊虫。由LED植物生长灯对植物进行定时照射，可在触摸屏上自由设置光照强度、光照时间及光照时长，保证植物每日光照需求；温度传感器和光照传感器则负责实时采集柜内温度及CO2浓度，当柜内温度及CO2浓度较高时风扇自动启动，加速柜内外空气流通，使柜内温度及CO2浓度保持在植物最适宜生长状态。整个系统控制可在触摸屏上进行手动和自动模式切换。

图3 单个种植框功能结构

2.1 种植装置控制系统硬件设计

2.1.1 主控制器

主控器选用STM32L052R8T6单片机，超低功耗Arm Cortex-M0+ MCU，具有64 kB Flash存储器、32 MHz CPU和USB，是一种集高效、强兼容性和价格低廉于一体的微控制器[2-4]。主控制器芯片引脚图如图4所示。

图4 主控制器芯片引脚图

2.1.2 触摸屏

触摸屏作为人机交互界面，可对种植柜内植物生长环境因素(如温湿度、光照强度和CO2浓度等)进行实时监控，同时可自由设置参数及切换控制模式，使种植柜操作简单、便捷。此处选用7寸安卓工控一体机RK3288高性能触摸屏，配有4核1.8 GHz主频，具有高稳定性、高集成度、高扩展性和高流畅度；支持4G/WIFI联网和APP定制开发，可按需求定制不同功能的APP应用，使用户在手机APP上即可轻松实现对种植柜的远程监控。

在触摸屏上可显示当前柜内植物生长温湿度、光照强度及种植海绵湿度等参数；对于水泵和风扇等执行机构可手动/自动模式切换；光照强度、光照时间及光照时长可根据种植植物种类自由设置，触摸屏监控画面如图5所示。

图5 种植柜触摸屏监控画面

2.1.3 传感器检测模块

种植柜要达到自动控制柜内植物生长环境因素的目的，需要对柜内植物生长环境因素信息进行实时采集，作为输入给主控制器单片机进行运算处理从而做出决策。此处环境因素采集分别使用了光照强度检测传感器、温湿度检测传感器、CO2浓度传感器和土壤湿度检测传感器。

(1) 光照传感器负责检测柜内植物光照强度，选用B-LUX-V22型光照传感器，该传感器采用ROHM原装BH1750FVI芯片，光照度范围0 Lx～65 535 Lx,采用标准I2C通信协议，工作电压为3.3 V，不区分环境光源，具有接近于视觉灵敏度的分光特性，可对广泛的亮度进行1 Lx的高精度测定。

(2) 温湿度传感器负责检测柜内植物生长环境温湿度，选用SHT30防水传感器，该款传感器采用高分子PE材料滤芯，保证测量湿度同时滤除灰尘，对高速流动的气体起到缓冲作用，温湿度测量结果更准确；此外，这款防水传感器具有高精度、防水和防尘的特点，可满足种植柜内温湿度检测特殊环境需求，工作电压为3.3 V。

(3) CO2浓度传感器负责采集柜内植物生长环境的CO2浓度，选用CJ-102型红外CO2传感器，利用非分散红外吸收原理，内置自动校准算法，高灵敏度、低功耗，提供串口(UART)、PWM等输出方式，工作电压为3.3 V；其设计小巧、性能优越、易于安装，可广泛适用于空气净化器、新风系统、带净化功能的空调、空气品质检测仪器、汽车以及消费类电子的配套。

(4) 土壤湿度检测传感器负责实时检测种植海绵湿度，此处选用电容式土壤湿度传感器。该传感器区别于市面上绝大部分的电阻式传感器，采用电容感应原理检测土壤湿度，避免了电阻式传感器极易被腐蚀的问题，极大地延长了其工作寿命，工作电压为3.3 V。

2.1.4 电源供电电路

种植柜控制系统以3.3 V和5 V供电为主，此处采用TPS5430电压转换器和AMS1117电源稳压芯片获得所需电压，电源供电电路如图6所示。

图6 电源供电电路

2.2 种植装置控制系统软件设计

种植柜应用智能控制技术实时调节柜内植物生长环境至最适宜状态，即以单片机为主控制器，通过传感器实时采集柜内生长环境信息(温湿度、CO2浓度及光照等)并传输给单片机，单片机控制能够改变柜内生长环境因素的执行机构(风扇、LED植物生长灯、水泵等)产生动作，达到自动调节植物生长环境至最适宜状态的目的。在触摸屏上可进行手动和自动控制模式切换，可根据植物种类设置植物生长环境因素的参考值。种植柜控制系统控制流程如图7所示。

图7 种植柜控制系统控制流程

3 种植柜防蚊虫滋生解决方案

因为种植柜内的营养液长期放置在箱内，当植物处于干旱时抽水机必须抽取相应的液体灌溉柜内的植物，箱内的液体都处在相对静止状态，也就是说箱内的营养液是一潭死水，时间久了不但容易发臭，同时还容易滋生蚊虫。为了解决这一问题，我们采用了液体循环装置，使其箱内液体在单片机控制设定的时间内启动水泵，配合种植区底面的小孔将多余营养液流回到营养液储存箱，形成供水循环；循环过程中，其抽取的液体不会经过柜内，也不会因为柜内的水分过量而影响植物的生长，其特点如下：①使液体流动起来，达到给植物创造更加舒适生长环境的目的；②通过循环，可以在一定程度上增加箱内的水汽；③使得营养液的养分能够被植物更好地吸收；④种植棉与营养液循环装置，双重防护让蚊虫无处滋生，营造更好的室内绿植种植环境。

其次，专门为营养液储存箱增添了防蚊虫滋生内盒设计(如图8所示)，该内盒可将植物与营养液隔离，使得蚊子无法接触到水面，防止蚊虫滋生。

图8 防蚊虫滋生内盒

4 实物模型

在上述研究的基础上，建立了种植柜实物模型，如图9所示。

图9 种植柜实物模型

5 结束语

当今社会，随着“家庭园艺”在人们生活中的不断流行，研发更加智能化、小巧化、便捷化的室内种植装置将成为未来热点。本文设计的智能室内种植装置在外形上采用模块化、蜂窝型可拼装设计，种植面积和形状大小可调，方便收纳、不占地；且可在手机APP远程监控，易打理、使用便捷，符合普通家庭用户对室内种植的期望。相信在不久的将来，本产品的问世将会受到人们的青睐。