智能绿植培育系统的研究与设计

王栋，夏郅，金马

（苏州工业职业技术学院，江苏苏州，215104）

0 引言

有研究表明对于一般适合家养的喜光花卉的生长不但需要特定的光谱，还要长时间的光照，而灯光所能给到的光谱有限，即使是全光谱的灯相比真实的光照还是有所差别，灯光的照射只起到一部分辅助作用。太阳光和灯光照射植物，都会对植物有利，但是效果是不同的。灯光养出来的植物过于脆弱而鲜嫩，类似于拔苗助长，过于娇嫩。而太阳光照射的植物外表结实而且生命力顽强[1]。灯光温度也远远低于太阳光照射的温度，可被吸收的可见光较少。满足不了植物的正常生长需要。植物需要光来进行光合作用，主要是将光中的能量转换为生物能贮存起来[2]。长时间光照是有利于植物快速生长的。

本文是为了让培育花卉更高效，更便捷，更环保让主人更加省心的一款灌溉，温控，防护，娱乐一体的智能绿植培育系统。

1 控制系统框图设计

图1 为系统的框图设计。以STM32F103 作为主控芯片。追光系统会根据绿植周围光照强度进行对比，再通过单片机控制电机模块转动，直到周围光照强度相同且正对植物，随着太阳光的落下，绿植跟随转动。单片机通过传感器对周围环境的温度，湿度，土壤温度，土壤湿度进行收集，然后进行相应阈值的动作，如土壤温度超过植物适宜的温度时水泵的启动，空气温度过高，或空气湿度过低时喷雾的开启。

图1 系统设计框图

2 硬件电路设计

智能绿植培育系统是以STM32F103 为核心的控制器件，主要包括一键下载电路、预留串口下载、降压电源电路、双晶振电路、WiFi 电路、温湿度模块、土壤温湿度模块、ESPWiFi 模块、追光电路、加湿雾化电路、继电器电路、七针OLED 显示屏等。如图2 所示。

图2 系统总硬件电路图

■2.1 双晶振电路

晶振则为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通信系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法可以保持同步，见图2 晶振电路。

HSI（内部振荡电路)能够在不需要任何外部器件的条件下提供系统时钟。最高内部时钟可达72MHz，它的启动时间比HSE 晶体振荡器短。然而，即使在校准之后它的时钟频率精度仍较差。

8MHz 晶振提供外部高速时钟（HSE)，用于提供更精确的系统时钟。32.768kHz 晶振提供外部低速时钟（LSE)，为精确定时服务，可用于RTC 电路时钟源，可为低功耗提供计时。

■2.2 降压电路的设计

本文采用AMS1117-3.3 的三端稳压器，见图2 降压电路。常用于提供3.3V 的稳定电压。该稳压器的最大输出电流为1A，可以应用于各种电子设备中，如电源电路、充电器、调节器等。有三个引脚，其中输入电压为VIN，输出电压为VOUT，地为GND。在输入电压在6.5V～12V 范围内，该器件能够提供稳定的3.3V 输出电压。

■2.3 WiFi 电路的设计

ESP8266 在WiFi 模式时常用三种功能，STA 模式（需要外来WiFi 提供接入)，AP 模式（释放WiFi)：ESP 模块作为接入点让其他设备连接WiFi 热点，STA+AP（两者兼顾)，使用ESP 一般用到RX，TX 联合串口助手查看是否连接成功，或用AT 指令判断ESP 是否正常。本文采用STA 模式，让ESP 模块作为终端，使得在同一局域网内的设备可以上云，访问服务器等。从而实现通讯。见图2 中ESP8266 WiFi 电路，WiFi 电路接口对应PA2，PA3 引脚。

■2.4 温湿度采集及雾化电路

考虑到实际采集情况，需要采集外部数据，需要引出便采用排母代替，见图2。采用模块直插，只需保留所要使用的IO 口与模块引脚一一对应即可。如DHT11 的DAT 脚接PB11,土壤温湿度的AO 脚接PA4，继电器电源接PB0。

雾化器原理类似超声波震荡打碎水滴通过雾化片形成雾气，简易的雾化器可由：电源，雾化片，电位器用于调节功率，振荡电路由功率三极管和外围电容电感组成三点式振荡电路超声波模块等组成。超声波模块通过耦合电容加跨接在三极管基极和电源之间。振荡电路激励后产生振荡，这个振荡信号又通过耦合电容反馈到振荡管基极，通过主控板控制发出的PWM 波使振荡电路谐振在雾化片的固有频率，电压越高雾化量越大（在雾化片本身耐压内)。通过调节电位器改变三极管基极电流（电压)来改变雾化片两端的电压，从而改变功率及雾化量。

3 软件驱动程序设计

按照“电上花开”智能绿植培育系统的研究与设计的设计目标，要对系统软件程序设计主要有以下几点，分别为：STM32F103 主控板的初始化，WiFi 初始化OLED 显示初始化，电机控制程序，空气温湿度初始化，土壤湿度初始化等。

■3.1 追光程序设计

在程序设计方面，需要读取光传感器的模拟信号，并进行模拟信号到数字信号的转换，同时根据光强度的大小来计算控制电机转动的值。如图3 所示。电机的转动可以使用IO 口控制实现。

图3 追光程序设计图

本文先对定时器，ADC 采集，IO 口初始化。再通过主控板对光照模块进行光照采集（30 次左右)取其平均值，通过ADC 转换采集电压将光信号转换为电信号，从而对比判断光强度，通过定时器中断决定高电平给电的时间，控制电机的正反转以及停止。

■3.2 雾化加湿程序设计

超声波震荡是指利用超声波的高频声波产生振荡，超声波是指频率为20MHz～50MHz 左右的声波，它是一种机械波，需要介质来进行传播，加湿雾化器通过雾化片为载体形成雾化。一般雾化片在108kHz 的频率进行震荡即可。

通过DHT11 传感器采集检测空气的温湿度再与设定的阈值进行对比读取湿度传感器的数值，计算与目标湿度值之间的误差。根据误差值，控制加湿器的开关状态，从水箱中送水到雾化器中。控制雾化器的开关状态，将水雾化成细小颗粒的水汽。检测加湿器工作时间是否超过设定时间，如果超过则自动关闭加湿器。如图4 所示。循环执行以上步骤，保持空气湿度在合适的范围内。

图4 加湿软件程序设计流程图

■3.3 设备上云

(1)创建设备：在ONENET 云平台上创建一个设备，得到设备的设备ID 和设备APIKey。(2)下载SDK：从官方网站上下载适用于自己开发环境的EDP SDK，可供C、Java、Python 语言使用。(3)初始化SDK：按照SDK 提供的接口，初始化EDP SDK，并指定ONENET 云平台的服务器地址和端口号。(4)建立连接：使用SDK 提供的API，传入设备的设备ID 和设备APIKEY，建立设备与ONENET 云平台的连接。(5)发送数据：使用SDK 提供的API，发送设备数据到ONENET 云平台。(6)接收指令：使用SDK 提供的API，接收来自云平台的指令，并进行相应的处理。总的来说，使用EDP 连接方式，需要开发人员在设备端配置相应的EDP SDK，并按照SDK 提供的接口，实现设备与平台之间的双向交互。如图5 所示。

4 系统实现

根据课题设计，可以实现绿植的密封性，追光转动行程良好，可以按照温度、湿度来严格控制给水主要用到的是土壤温度、湿度传感器，如果传感器检测温度、湿度都达不到规定的要求，就开始浇花，达到了规定的温度、湿度就停止浇花。该系统既能按时、按量地给花卉浇水，还可以为节约水资源，从而让花卉更好的生长。

■4.1 WiFi 串口调试

ESP8266 模块和MCU 核心板连接方式是RX 对TX，TX 对RX，RST 接IO 口是低电平复位，并使用 AT 指令配置ESP 的WiFi 模块的初始化。底层通过USART1 串口通信对ESP8266 发送控制命令数据，在通过USART2 接收数据来实现数据交互。ONENET 平台与底层通信需要一致的设备ID 和秘钥KEYID，APP 通过ESP8266 的WiFi 连接底层，已达到可以远程控制外部电路装置用于实现功能。

在底层中写入串口数据输出，通过com 串口助手观察输出数据是否正常如图6 所示。通过观察显示（1)ONENET 初始化INIT 为设备ID，APIKEY，对应成功，连接完成；（2)ESP8266 初始化完成，AT+CIPMODE=0 关闭透传；（3)通过局域网（外部热点)显示固定的WiFi名称，密码连接完成显示固定地址；（4)再一次检查WiFi和NET 连接完成显示OK；（5)显示外部采集数据（温湿度，土壤温湿度，光照值)。

图6 WiFi 串口调试

■4.2 PWM 调试

通过示波器测量三极管的基级，设定占空比为0.15%，在观看PWM 值，观看到波形存在毛刺，应该是PWM 存在过冲现象，一般串合适阻值的电阻即可改善情况。如图7 所示。

图7 示波器测量图

■4.3 云平台调试

云平台可以向设备下发相关指令，实现设备的控制和配置。指令下发前首先需要创建指令，指定指令名称和格式等相关信息。设备连接上平台后，可以通过API 获取指令并进行处理。设备在接收到指令后，需要按照指定的格式解析指令内容并执行相应操作。如图8 所示。

图8 下发数据

5 结语

智能绿色植物培育的出发是为了用户长时间不在家或者没有养殖这方面的知识，能够放心地将植物留存在家和便捷地养殖植物，不至于使植物出现枯萎腐烂的现象。

此项目设计基于ONENET 云平台APP。云平台操作简单，项目功能齐全，用户只需要在安卓系统所在的手机、平板、PC 端访问网址能够控制观察到植物培育系统的状态。

此项目搭建了与云平台的数据通信。使用云平台的多协议接入，可以构造能够自己生活的智慧机器。

此项目设计制作了STMF103MCU 主控板，引出所需要的IO 口，由于功能操作与实际，部分电路没有进行集成，引进太阳能供电，实现节约供电，使电路能长时间工作。

本设计主要是对“电上花开”智能室内花盆培育系统的研究与设计。利用单片机控制整个系统智能化，且实现一定功能，使花盆可以形成自我养护，相对地减少养花小白的负担，但养花还是需要人为的关怀和照料，不能完全相信电子产品的功能。可应用于家居，办公室，学校、展厅等，来美化环境。本设计的功能目前存在追光的不稳定性，没有远程控制的功能，希望在往后的学习中可以有新的突破，完善好本设计以达更智能，更人性化。