摘要: 設計一種智能遠程植物養(yǎng)護裝置,采用STM32F103單片機為控制核心,對植物所處環(huán)境溫度和土壤濕度進行檢測,并根據用戶所設置的適合植物生長的濕度參數,控制水泵的開關,通過機智云平臺在手機APP上實時監(jiān)控植物的生長環(huán)境。測試結果表明本設計能完成遠程精確灌溉和按需灌溉,促進盆栽植物的茁壯成長。
關鍵詞: 植物養(yǎng)護 遠程 STM32 機智云 手機APP
引言
現代生活在高層建筑里的人們越來越熱衷于在家里或辦公室里種植各種各樣的盆栽植物,盆栽植物可以凈化空氣,陶冶情操,營造良好的生活環(huán)境。然而,由于工作的繁忙或是外出旅游,人們經常忽視管理或無人看管,導致植物缺水,給愛花草的人帶來很多麻煩。設計一種能夠實時監(jiān)控盆栽植物信息,并通過遠程虛擬開關智能養(yǎng)護盆栽植物的系統(tǒng)具有應用價值和現實意義
本次設計為智能遠程植物養(yǎng)護裝置,其具體功能要求和設計指標為:
(1)設計一個濕度檢測的下位機,測出土壤濕度并在下位機顯示,濕度測量范圍10%～90%,誤差范圍為±1%。
(2)設計一個溫度檢測的下位機,測出環(huán)境溫度并在下位機顯示,溫度測量范圍-50～125℃,誤差范圍為±0.5℃
(3)測量出的環(huán)境溫度和土壤濕度通過無線通信模塊,間隔500ms發(fā)送給上位機手機APP并顯示。
(4)在植物近端設備可設置土壤濕度,且設置信息上傳至手機APP。
(5)在手機APP上可根據植物養(yǎng)護要求設置土壤濕度,且設置信息發(fā)送至植物近端設備。
(6)通過手機APP,選擇不同的澆灌模式,遠程控制系統(tǒng)開關,實現自動、手動澆灌模式。
(7)系統(tǒng)根據用戶設置的土壤濕度與實際測量的土壤濕度做對比,判斷土壤的水分狀態(tài),并將土壤水分狀態(tài)上報至手機APP,系統(tǒng)開啟自動澆灌模式。土壤水分狀態(tài)將顯示在LCD界面上。
(8)該系統(tǒng)有兩個土壤濕度傳感器,以防止意外情況發(fā)生。如其中一個土壤濕度傳感器出現故障或被拉出土壤。單片機將比較分析兩個濕度傳感器檢測到的土壤濕度值。如果兩個土壤濕度值的差異超出范圍。系統(tǒng)會在顯示屏上顯示錯誤,水泵會自動關閉。
1.2 系統(tǒng)設計框圖 根據要求,智能遠程植物養(yǎng)護裝置系統(tǒng)的整體設計框圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)設計框架圖
硬件系統(tǒng)主要包括主控制模塊,顯示模塊,無線通信模塊,上位機APP模塊,按鍵模塊和水泵控制模塊。本設計采用DS18B20傳感器測量環(huán)境溫度,土壤濕度檢測模塊測量土壤濕度,通過esp8266無線模塊將測量的溫濕度值上傳至機智云平臺,再發(fā)送至手機APP。 1.3 硬件系統(tǒng)設計 1.3.1 復位電路
本系統(tǒng)TFT-LCD采用并行操作方式,TFT-LCD的使能端E、TFT-LCD片選信號CS、數據/命令選擇端、數據寫入WR、數據讀取RD、硬復位RST分別連入單片機其他I/O口。
本系統(tǒng)傳感器模塊分兩部分:土壤濕度傳感器和環(huán)境溫度傳感器。
土壤濕度傳感器基于電磁脈沖原理,根據電磁波在介質中的傳播頻率,可以測量土壤的表觀介電常數,從而得到土壤的相對含水量。將傳感器引腳與STM32的ADC采樣引腳連接,并控制其高或低,使用特定的算法將ADC值轉換為濕度值。 環(huán)境溫度傳感器采用DS18B20。DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。 1.3.4 無線通信模塊
本系統(tǒng)采用ESP8266-S01模塊,設備主控制MCU通過串口和Wi-Fi模組通訊。圖2即ESP8266引腳圖。 圖2 ESR8266引腳圖
2 軟件設計 2.1 無線通信協(xié)議程序設計 STM32和Wi-Fi模塊是整個系統(tǒng)的關鍵,分別負責數據采集、處理和數據傳輸。ESP8266 Wi-Fi模塊連接到STM32,數據傳輸代碼根據程序中的通信協(xié)議進行編程。
遵循機智云平臺標準協(xié)議設計通信協(xié)議程序,設備主控制MCU通過串口和Wi-Fi模組通訊,通訊采用具有規(guī)定格式的指令,本系統(tǒng)共設計了十條指令,實現五個通訊過程,分別是Wi-Fi模組向MCU獲取設備信息,MCU向Wi-Fi模組發(fā)送業(yè)務指令,心跳,通知Wi-Fi模組進入配置模式和推送Wi-Fi模組工作狀態(tài)。指令由以下部分按順序組成:包頭(2B)=0xFFFF,包長度(2B,包的剩余字節(jié)數),命令(1B),Flags(2B),有效負載,校驗和(1B)。包長度是指從命令開始一直到校驗和的字節(jié)長度(包括命令和校驗和)。
系統(tǒng)收集土壤水分并顯示在LCD上,當當前濕度低于設定值時,單片機將自動發(fā)出命令控制泵的運行[4]。當濕度達到適當值時,單片機會自動發(fā)出停止泵運行的命令。STM32用作控制模塊,ESP8266與移動終端連接后,將單片機發(fā)送的串行信號轉換為無線信號,傳輸到移動終端,串口中斷程序框圖如圖3所示。
接收到的無線信號也可以轉換成串行口信號,傳送到單片機上,單片機通過應用程序改變濕度參數,控制泵的啟閉。主要流程如圖4所示。
圖3 串口中斷程序框圖
圖4 主程序程序框圖
3 系統(tǒng)測試
智能遠程植物養(yǎng)護裝置控制界面如圖5所示,裝置上共有六個按鍵,從上往下依次是設置土壤濕度增加按鈕、設置土壤濕度減小按鈕、開啟水泵按鈕、關閉水泵按鈕、配置按鈕和重啟按鈕。水泵開啟時,藍色小燈亮起,水泵關閉時,藍色小燈不亮,按下配置按鈕時,ESP8266模塊處于配置模塊,Wi-Fi信號燈亮起。 
圖5 智能遠程植物養(yǎng)護裝置控制界面
通過裝置上的按鍵設置土壤濕度,初始設置的土壤濕度值為50%,在初始值的基礎上加減。
兩個土壤濕度傳感器測量當前土壤濕度的52%,測量環(huán)境溫度為28.1°C,系統(tǒng)處于開放狀態(tài)。當前土壤濕度略高于用戶設定的土壤濕度,系統(tǒng)顯示當前土壤濕度良好,系統(tǒng)運行時泵不工作,手機APP界面如圖6所示
圖6 設置土壤濕度為50%
4 結語
本設計基于機智云物聯網平臺,采用STM32F103單片機為控制核心,對植物所處環(huán)境溫度和土壤濕度進行檢測和處理,溫濕度數據實時傳輸到液晶顯示屏和用戶手機APP上,用戶可通過機智云物聯網平臺在手機APP上實時監(jiān)控植物的生長環(huán)境,控制水泵的開關。測試結果表明本設計能完成所有功能和設計指標,實現遠程精確灌溉和按需灌溉,促進盆栽植物的茁壯成長。
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