基于物联网的智能花卉栽培系统设计研究

汤朝婧，唐 燕

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学林业与草业学院，宁夏 银川 750021）

0 引言

近年来设施栽培的不同发展阶段与许多先进技术都有所结合，随着云计算、大数据、物联网等信息技术的快速发展，使得设施栽培领域更多的转型升级都朝着新兴信息技术靠近，在生产、控制、管理和分析方面尤为突出。花卉的栽培对于生长环境有着严格的要求，尤其各种名贵花卉的生长条件更为苛刻，影响花卉生长的主要参数有大气温湿度、光照强度、CO2浓度、土壤水分等[1-2]。智能花卉栽培系统通过各种传感器及计算机自动控制其生长环境，在不适宜花卉生长的环境下调节环境条件，以达到不时栽培、延长花期和增加产量的目的。本系统利用物联网技术实现花卉生长环境的监测、控制和相关管理工作，搭建了花卉环境信息采集的硬件架构和WiFi 传输网络，并结合相关硬件设备，设计了花卉栽培监测和调控系统[3-4]。

本研究基于STM32 单片机研发的有无线联网功能的智能花卉栽培系统，可在满足环境参数精准采集的条件下，对相关性能指标进行交互控制，实现花卉栽培过程的自动化控制[5]。使用者可采用现场控制和远程互联网控制2 种方式对系统进行操控，从而确保植物稳定的生存环境[6]。该系统若实施网络化、大规模运行管理，可实现花卉高产、优质、高效、生态、安全的产出[7]。

1 智能花卉栽培系统的总体结构

智能花卉栽培系统主要利用物联网技术，通过手机端和OLED 屏幕实时获取花卉周围环境信息，根据智能远程、自动控制相关设备运作，保证周围环境适宜植物生长的条件。该系统的功能模块如表1 所示，包括信息显示、环境因子监测、设备控制及系统软件等组成部分，主要运用各传感器对花卉生长环境中的土壤温湿度、环境温度、光照强度、CO2浓度进行实时监测；由WiFi 进行无线传输，负责数据的收发；使用机智云平台进行信息处理，根据检测到的数据发送控制指令[8]；通过手机App 设定温湿度、光照强度以及CO2浓度的阈值，当下位机传感器探测到的数据高于阈值就会提醒，并显示此时花卉所处的环境信息。本系统分为手动开关和App 上设置的远程开关2 种开关模式，可以控制继电器开启水泵、风扇、补光灯以进行适宜花卉生长的环境参数调整。

表1 智能花卉栽培系统的主要功能

2 系统硬件设计

2.1 设备选型

系统采用有着强大通信和控制功能的STM32F103C8T6单片机，是一款32 位基于ARM 核心的带64K 字节闪存的微控制器；引脚个数为48 个；工作频率为72 MHz；工作温度为-40～85 ℃；需要电压2.0～3.6 V；单片机具有3 个普通定时器、1 个高级定时器以及2 个2 位/16 通道的ADC 模数转换。其自带3.3 V 稳压芯片，可以保证最大输出300 mA 电流；支持ST-LINK 和JTAG 调试下载，内部采用64K或128K 字节Flash 程序存储器以及高达20K 字节的SRAM 数据存储器。STM32 处理器具有睡眠、停机、待机3 种低功耗模式，单片机在低功耗状态下唤醒时间可以达到微秒级[9]。

本系统执行设备主要有数字温湿度传感器（DHT11）、光照传感器（BH1750FVI）、烟雾传感器（MQ-2）、土壤温湿度传感器、WiFi 模块（ESP8266）、STM32F103C8T6 微控制器、继电器、水泵、风扇（L9110）、LED 发光二极管、OLED 屏幕。表2 为选用的各传感器基本信息。

表2 选用的各传感器基本信息

2.2 无线传感器网络

无线传感网络体系结构主要包括感知层、传输层、平台层和应用层4 大层面。其中，感知层主要通过设置对应的结点，由各种传感器与结点相连，并按需求覆盖一定的区域。传输层是数据采集层与应用层之间的一座桥梁，主要通过无线网络向手机App 发送数据[10]。应用层是利用使用者对感知层反馈的数据进行监测，并对终端节点进行远程控制（如控制照明、进行温湿度控制等）。

本系统使用ESP8266 无线网络进行数据传输，其采用 IEEE802.11 无线通信标准，共有VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND 这8 个针脚[11]，系统主要用到VCC、RX、TX、GND 这4 个针脚。ESP8266 WiFi 模块采用串口与单片机通信，内置TCP/IP 协议栈，通过WiFi 与上位机通信。利用ESP8266 模块对传统串口设备进行简单的串口配置，即可将数据通过WiFi 传输给上位机，实现物联功能[12]。ESP8266的GND、VCC 和STM32 对应的GND、VCC 相连接，RX 和STM32 的PB10 连 接，TX 和STM32 的PB11连接。ESP8266 WiFi 模块如图1 所示，WiFi 模块线路连接如图2 所示。

图1 ESP8266 WiFi 模块

图2 WiFi 模块线路连接图

3 系统软件设计

3.1 主程序软件设计

在进行智能花卉栽培系统程序设计时，采用keil5 对系统程序进行设计和编译，将程序录至单片机系统中的FLASH 中，主要包括花卉监测主控制系统和采集节点2 个模块的程序设计。本系统软件的设计主要通过STM32 实时检测传感器输入参数的变化以及WiFi 模块收到的控制信息实现。当判断出传感器的参数值超过上限或低于下限时，MCU 会进行处理并控制相关设备动作，发出灯光指示信号、上传数据到机智云平台[13]。图3 为智能花卉栽培系统主程序流程。

图3 智能花卉栽培系统主程序流程

3.2 上位机监控模块

系统的上位机软件采用机智云平台为开发环境，平台的构架传感数据来自采集层，主要由各个环境感应器组成，以完成植物的生长环境的信息采集。传输控制层则是负责将采集到的植被生长环境数据，通过数据传送到云端。其利用无线网络模块作为介质，在TCP/IP 通讯协议的基础上，将植物的生长参数无线传输到云端，并利用机智云平台对植株的生长环境参数进行存储、分析、统计[14]。另外，在传输控制层中，还需要通过机智云服务器对环境温度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度调节进行远程操控。用户也可通过电脑客户端、手机App 等智能装置，对上述植物生长环境中的现场装置进行监控[15]。

智能盆栽的种植系统，有手动模式和自动模式2 种监控模式（现场控制和远程控制）。手动模式主要通过手机App 设定阈值，并通过App 端进行浇水、补光等操作。手动模式到自动模式的切换也十分便捷，只需长按开发板上第1 个按键约5 s（手动控制风扇的按键）即可切换到自动模式，系统就会根据率先在App 上设定好的阈值来对植物需求即所处的环境进行一些智能化的调整，不需要人为再操作[16]。本系统机智云平台界面如图4 所示，手机App 界面如图5 所示。

图5 手机App 界面

4 系统测试

4.1 黑盒测试

系统测试主要是对系统自身应用场景的限定，采用黑盒测试，对远程操控、App 查看及控制、屏幕显示、光照强弱监控、灌溉功能监控等主要功能进行测试。

根据程序的需求规格说明书，检验其性能要求是否一致。在不需要理解程序代码的内部结构的情况下，就可以模仿使用者使用本产品，并检验其是否符合使用者的要求。测试系统的总体运行结果分为完全实现、基本实现、未实现、功能缺失4 类。黑盒测试可以更好、更真实地反映使用者的使用感受和被检测系统的实际功能运行情况。

本测试主要对该系统的各个功能模块进行测试，测试的主要内容包括OLED 屏幕监测数据显示测试、蜂鸣器报警测试、环境温度监测、土壤温湿度浇水监测、光照强弱监测、CO2浓度监测、App 数据调控端测试以及手动模式和自动模式的切换测试。智能盆栽种植系统功能的黑盒测试如表3 所示，该测试内容基本满足系统设计要求。

表3 智能盆栽种植系统功能的黑盒测试

4.2 测试结果

1）数据实时显示。当传感器采集的数据通过服务器传到客户端时，在App 端界面展示外，同时在OLED 屏幕显示数据，包括CO2浓度、环境温度、光照强度、土壤温湿度的实时数据，如图6 所示。

图6 OLED 屏幕显示数据

2）各控制模块运行。通过控制面板上的按钮进行手动测试，当按动灯光按钮时，侧面模拟光源的LED 灯亮起，重复动作将熄灭，如图7 所示；当按动水泵开关按钮时，抽水泵启动并将储水盒中的水或营养液输送至花盆内，完成浇水的步骤，重复动作将关闭水泵，如图8 所示；当按动风扇按钮时，侧面模拟通风的风扇转起，达到通风的效果（可用于相对封闭且空气不畅的环境），重复动作将关闭风扇，如图9 所示。

图7 补光灯启动

图8 水泵启动

图9 风扇启动

5 结语

本文设计的基于物联网的智能花卉栽培系统，通过软硬件实现了对花卉栽培环境参数（土壤温湿度、环境温湿度、CO2浓度、光照强度）的实时监测，设置了2 种模式（现场控制和远程控制），根据动态数据信息进行具体分析后作出自动浇水、自动补光、自动通风的智能决策控制，确保其栽培环境条件稳定。经测试结果表明，系统运行稳定，采集数据准确，实现了智能花卉栽培的基本需求。