基于WiFiduino 与Blinker 的智能浇花系统设计

2023-09-27 14:20武潇

电子制作 2023年17期

武潇

（吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林，132000）

0 引言

在社会经济快速发展的背景下，人民生活水平和生活条件都有了显著改善，对住房环境和生活质量都有了更高的要求。在家里或者办公室种植花卉也成了大多数人提高生活品质的选择，既可以丰富生活，还可以美化环境。但是由于缺乏经验，人们常常用自己的经验或者主观地给花盆里补水，当人们出差或者旅行时，家中花卉就会没有人照顾。智能浇花系统不仅可以精准控制浇花的时间，还可以精确控制浇水的量。在忙碌的生活中，人们往往需要一个智能浇花系统，可以在他们离家时智能管理室内的花卉。智能浇花系统不仅解决了花卉的管理问题，也实现了人们追求绿色健康生活方式的理念。

1 系统总体方案设计

本系统集成了主控电路、继电器控制单元、无线网络通信单元、电源转换电路和人机交互单元五部分。通过DHT11 温湿度传感器和YL-69 土壤湿度传感器检测花卉生存环境的温度，湿度和土壤的湿度。传感器收集的数据经过A/D 模数转换输入到WiFiduino 控制系统中，控制系统经过ESP8266 无线通信模块上传到公共云平台和手机APP Blinker，再通过手机APP Blinker 显示给了用户识别，使用户可以通过移动设备实时观察环境数据。

需要智能浇花系统位于WiFi 局域网内，将使用WiFiduino 中的ESP8266 WiFi 模块通过路由器导入云服务器端，发送数据栏数据到云服务器端并保存，同时以云服务器端显示设计应用程序。用户可以由手机APP Blinker 开发的应用程序页面，查看花卉当前生存环境的温度，湿度和土壤的湿度。同时用户可以通过在手机APP Blinker 上设置开关按钮进行远程控制浇花的操作，利用这种方法能实现对花卉生长环境的调整。

2 硬件设计

■2.1 控制系统设计

WiFiduino 是一款以ESP8266 为核心的开发板，WiFiduino 在现有的Arduino 控制器之上提供WiFi 支持，相当于Arduino 和ESP8266 的复合板。

我们可以将无线通信模块和Arduino UNO 组合在一起，实现将Arduino 连接到互联网，然而这样使硬件部分复杂且昂贵，而且还要创建和管理Arduino 和WiFi 部分的通信逻辑。所以在对比各种开发板之后我选择了WiFiduino，它支持WiFi 通信的新型Arduino 兼容开发板。WiFiduino是一个开源硬件和软件平台，用于电子原型设计，其中有WiFiduino 板和 Arduino IDE，以及类似于 Java、C/C++和其他语言的开发环境[1]。WiFiduino 可使用 USB 连接电脑进行供电，也可使用 AC 适配器进行外部供电。WiFiduino上有 6 个模拟输入口和 14 个数字 IO 口，使用者可根据需要接入数字输入输出口或模拟输入输出口。Micro usb 数据线可以给WiFiduino 供电，也可以往WiFiduino 板中下载程序。

■2.2 ESP8266 WiFi 模块

考虑到使用智能浇花系统的场景和中国 WiFi 的普及情况，本文选择 ESP8266 WiFi 模块发送和接收数据信息。不过本系统不需额外外接ESP8266 WiFi 模块，WiFiduino 开发板的核心就是以ESP8266 WiFi 模块。ESP8266 WiFi 模块使用IEEE 802.11 系列无线通信协议，允许Arduino 通过系列端口进行通信。如图3 和图4 所示。

■2.3 温湿度传感器模块

采用集成微芯片的DHT11 作为温湿度传感器，它能将电阻湿度传感器元件和NTC温度传感元件集成到传感器中，能检测传感器内集成的NTC 测温元件和电阻式感湿元件，可以发出数字信号[2]。DHT11 优势有以下几点：

（1）传输数据仅靠单线，需要使用的I/O 口较少。

（2）已经于出厂的时候校准输出数字信号，所以数据信息精度高，易于处理。

（3）功耗低，抗干扰能力强，信号传输远距离。

可检测范围：温度0°C～50°C（误差：±2°C），湿度20%～95%RH（误差：±5%RH），它的检测范围不是很大，但普通情况下已经够用。在选择产品时，备选的还有一个SHT75 温湿度传感器，它的优势是精度高，检测范围大，可检测到温度-40°C～123.8°C（误差：±0.3°C），湿度0～100%相对湿度（误差：±相对湿度1.8%）[3]。它的劣势是操作复杂，价格昂贵。最后，在各方面对比之下，在符合系统功能要求的基础之上，本文选择的温湿度传感器为DHT11 温湿度传感器，如图5 所示。

■2.4 土壤湿度传感器模块

选取YL-69 土壤湿度传感器，它有镀镍表面，增加了导电性，而且在现场与土壤接触时可以防止氧化。YL-69 土壤湿度传感器输出土壤数据有以下两种方法：

首先，对准D0 连接器将高电平和低电平输出，土壤湿度阈值也可以调整。顺时针调整3362 电位器，湿度会越来越大；逆时针调整，湿度会越来越小[4]。端口可以用芯片直接连接到单片机上，开发板评估土壤的湿度方法是根据输出的高低电平。

另外，通过AD 转换，对A0 口模拟接收的采样的方法是ADC，能获取更准确的土壤水分值，本文用到这种设计方法，如图6 所示。

如图6 所示，WiFiduino 板收集土壤湿度传感器 AO 口输出的模拟电压，并且会通过 ADC1 不同的数据通道分别检测不同花盆的土壤湿度。

■2.5 继电器控制模块

传输电路必须设计为通过继电器绕组传导大电流（约50 mA），这样继电器内的线圈才能吸合。该系统的工作原理是使用NPN 型三极管为继电器提供较大电流。图7 为继电器的驱动电路。

3 软件设计

■3.1 系统软件设计

在设计系统时，需要进行硬件设计，同时软件编程也很重要。在本系统中，不仅有单芯片微控制器用作控制器，还有无线通信模块，因此在选择编程软件时要反复斟酌。有许多适用于开发板的软件编程平台，例如Keil 等。智能浇花系统软件编程平台选择了Arduino IDE。

Arduino IDE 不仅具有了基本的编程语言所需要的基本环境，同时还包含了所有的WiFiduino 硬件开发版所需要的编译程序与交互软件。使用者在通过 Arduino IDE 编译程序时首先将其语言转换为 C++程序语言，Arduino IDE 拥有创建WiFiduino 板所需的所有编译器和交互式软件，以及主要编程语言所需的基础环境。当用户使用 Arduino IDE构建应用程序时，最开始使用为C++编程语言，然后使用avr-gcc（avr-gee 是专门为运行在 Gnu-C 编译器上的 AVR处理器设计的开源编码器）检测整个编译语言并从WiFiduino 控制面板运行它，写出一组二进制代码用来操控硬件装置[5]。这页二进制代码通过计算机侧面的USB 接口下载到WiFiduino 内存中，在那里进行处理并最终存储。图8 显示Arduino IDE 编译环境界面。

■3.2 手机APP blinker 开发

手机APP blinker 是用于实现用户和硬件之间人机交互和实现远程控制的必要设备，APP 界面可以显示实时参数、湿度异常报警、灌溉条件评估，手动浇花确认等。手机软件的设计是使用应用程序Blinker 完成的。

手机APP Blinker 有以下功能：（1）显示实时环境数据信息。可以显示温度、湿度和土壤湿度数据信息，使用户可以在手机APP Blinker 界面观察实时环境数据信息。可视化环境参数（2）满足预定的浇花条件时警告。温度、湿度达到预设下限时，在Blinker 界面给一个温湿度异常警告。（3）手动浇花管理。依靠人工经验和实时数据，操作手机APP Blinker 实现手动浇花。（4）定期浇水。可以设置在手机APP Blinker 页面的定时任务中，设置定期浇水。

在移动应用程序开发中，Blinker 允许开发人员自定义应用程序管理界面。Blinker 还为远程物联网提供方便、易于使用的解决方案，此设计具有较好的可扩展性。使用自带开发工具的APP 和互联网，可以设计个性化的手机APP 页面。用户可以在移动应用设备的应用程序页面上远程查看系统信息。