基于Arduino的智能种植助理设计

谢伟健 骆恺翔 李翼宏

关键词：物联网；Arduino单片机；墒情预测；植物种植；智能浇灌

0 引言

随着我国经济水平的提高和消费观的改变，越来越多的人选择购买植物进行种植，然而传统的室内种植都是人工进行浇水，往往不能准确地根据土壤湿度进行种植，且很多人对于植物种植缺乏养护技巧[1]，植物难以存活，或没有时间浇水导致植物枯死。

目前国内研究方面，袁正宏[2]等人设计一款智能种植硬件，只需要将植物种植在花盆内， 定期对该花盆内的原料和水分进行补充即可让植物正常生长。国外方面，法国知名公司帕诺特（parrot）公司[3]研发的一款智能种植硬件具有监测光照、温度、湿度和土壤肥沃程度以及确定这些指标是否有助于植物生长的功能，以及配备储水箱进行自动浇水。

目前市场上的智能养花硬件虽然有浇水的功能，但浇水的方式是采用定时浇水，产品仅仅是解决了用户不在家，植物会干死的状况，并不能让植物科学化生长，也不能根据植物所需和土壤湿度状况进行科学化种植[4]。为解决上述问题，保证植物科学生长，该文设计了一种以墒情预测[5]为依据的智能种植硬件，可使土壤墒情保持在植物合适的生长范围[6]，有利于植物科学生长。

1 系统总体设计

智能种植助理包括智能硬件结构和软件结构，智能种植助理的核心部分是Arduino Mega2560 R3，该核心获取传感器数据，对花盆进行浇水等指令以及通过蓝牙模块与手机软件进行通信等功能。

2 硬件结构设计

智能种植助理的硬件结构采用ArduinoMega2560 R3为主控，由监测植物数据、提示报警、智能浇水三个模块组成[5]。监测植物数据模块下有两个子模块：温湿度监测模块、土壤湿度监测模块。两个模块将获得到的数据反馈到手机软件和屏幕。提示报警模块和智能浇水模块根据获得到的数据进行浇水和提示植物与设备状态。

监测植物数据模块可以获取当前的环境信息，通过单片机内置的判断程序语句来选择是否浇水。当符合判断程序语句时，单片机发出浇水信号，驱动水泵开始浇水，达到智能浇水的目的。

2.1 监测植物数据模块电路设计

监测数据模块分为两个子模块，其中温湿度监测模块采用数字温度传感器DHT11，由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件构成。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。土壤湿度监测模块采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，采用电容感应原理来监测土壤湿度，避免了电阻式传感器机翼被腐蚀的问题，极大地延长了它的工作寿命[6]。

2.2 智能浇水模块电路设计

智能浇水模块由一个2路直流电机驱动模块、一个直流电机3V的小型抽水泵组成与一个迷你DC-DC 升压模块组成。将电机驱动模块的INx端接控制核心，MOTOR-A端接水泵将电机驱动模块当成开关使用，且该电机驱动模块内置带迟滞效应的过热保护电路（TSD） ，不用怕电机堵转烧坏，温度下降后自动恢复。工作时电池通过升压模块给电机驱动模块输入5V的供电电压。当监测植物数据模块将监测的数据进行分析处理，当符合浇水条件时，主控核心将得到信号，通过I/O口输出一个高电平使水泵开始工作[7]。

2.3 提示报警模块电路设计

将监测植物数据模块获取的数据以及电压传感器获取电池电压传输到液晶屏模块，使得可以直接通过屏幕来了解植物当前的信息、环境温湿度、电池电量等数据[8]。

2.4 按钮电路设计

本产品操作采用自复式环形灯按钮。将按钮模块连接主控核心，通过对按下按钮的时间进行监测，传送给主控核心相应的信号，主控核心再将相应的信号传递给对应模块。

3 软件结构设计

软件结构主要是手机软件客户端。手机软件分为植物物种信息查询和植物生长环境监测两个模块。手机软件与硬件通过蓝牙连接，用户可以在植物物种信息查询模块中查询常见植物的信息。在植物生长环境监测模块可以查看当前连接植物的生长状况和环境信息[9]。

3.1 植物生长环境监测模块

当手机软件连接上智能种植助理后，就可以实时监测植物当前的环境温度、湿度、土壤湿度以及电池的电量。这些数值直观地显示在页面上，方便用户观察植物的生长环境状况。

此外在这个界面还会展示当前植物适宜的温度和湿度。这些数值的显示采用颜色和填充条来区分，让用户可以更加簡单地了解数据。

3.2 植物物种信息查询模块

用户可通过信息查询功能了解植物的信息，例如科属、形状、适宜光照和温度、浇水的方式等。

4 测试

4.1 硬件测试

通过土壤湿度传感器采集的数据与墒情预测估计出的浇水下限进行对比，在低于浇水下限后驱动水泵电路执行浇水动作。通过传感器获取数据后，让植物维持在合适的生存环境。

4.2 软件测试

打开手机软件界面，连接蓝牙后，首页出现植物信息则为连接成功。用户可在首页查看温湿度、土壤湿度、电量以及植物适宜温湿度等数据。还可以在查询功能里查看植物的相关信息。

5 结论

该设计主要研究墒情预测在植物种植当中的应用，提出将单片机与传统植物种植相结合，开发一款智能种植硬件。该硬件经实际测试，可适用于没有空闲时间的家庭种植用户，并且能为植物种植提供便利。该系统功能上还可以进一步整合，例如加入语音模块实现语音交互控制或采用太阳能供能的方式提供动力，因此后续会在这些方向进行深入研究。