观赏性植物智能培育系统

文 上海大学附属中学 高心远

一、系统总体组成

智能培育系统通过单片机检测植物生长环境中的光照、湿度和温度，当这些参数不利于植物生长时，可自动调节，无需人工干预。

该系统主要由花盆、控制器、监测装置、水泵、继电器组、补光灯、加热器、手动按钮、OLED液晶显示器、单片机与云服务器双向数据无线传送模块、软件控制代码、手机App远程控制程序等组成。

图1为系统示意图与最终完成的实物图。上述所有单元全部由一个单片机进行采样与控制，例如单片机控制继电器组，实现水泵、加热器、补光灯的通断。

图1 观赏性植物智能培育系统

二、控制与监测

利用Protel99软件设计一块印刷电路板，将单片机、OLED液晶显示器、手动按钮等弱电部分全部焊接在该电路板上。单片机为ATMEL公司AT89系列的STC51芯片，采用C语言编程。利用芯片内置的模拟数字转换器实现对外界温度、湿度、光照的采样与转换。

光照传感器采用BH1710模块。为了符合植物的生长周期并防止误判，采用DS3231时钟芯片判断时间，以区别是白天还是黑夜。当白天光照不足时，系统会打开补光灯，夜晚则关闭。

温度传感器DS18B20模块对温度进行检测，当低于适宜温度时，通过陶瓷加热灯升温。

图2 单片机控制系统

湿度传感器可检测土壤的湿度，当湿度过低时，控制水泵为植物浇水。

三、在线现场监控与无线远程监控

对光照、温度和湿度能自动检测和智能化调节是本系统的特点，在此基础上，我还设计了在线现场监控系统和无线远程监控系统。

在线现场监控采用OLED液晶显示器与手动按钮修改门槛值结合的方式。通过单片机的采样与计算，将光照等实时状态直观地显示在液晶屏上。安装手动按钮时需解决按键时的抖动问题，可通过软件编程中合理延时的办法避免系统误判动作。

考虑到大规模商业种植的集中管理问题，同时兼顾本方案的现实情况，我又设计了一套无线远程监控系统。该系统具备在线现场监控的所有功能，用户通过手机App或电脑就能查看光照、温度、湿度等实时参数，还能根据植物品种的不同，设置环境参数的最优值或门槛值。

图3 无线远程监控系统

开发的App基于Android平台手机，通过该App可远程实时监控植物所处的环境，并重新设定不同植物适宜的环境参数。

四、系统整体软件设计

程序采用C语言，基于Keil编译环境。主要包含温度监测与控制、湿度监测与控制、光照监测与控制、液晶显示、无线通信5个模块。程序关键环节的流程见图4。

图4 程序流程图

其中，中断针对手动按钮控制与无线远程控制两种方式，以时间先后为准，按照中断发生的先后次序进行响应。也就是说，全部中断采用同一个优先级。

五、创新点

1.分析了温度、湿度、光照这三个对植物生长至关重要的影响因素。

2.利用Protel99软件设计了印刷电路板，用于安装单片机、检测、显示、无线通信等模块。采用C语言设计了系统各环节的控制代码，让系统能正常运行。

3.观赏性植物智能培育系统可以自动调节植物生长环境的温度、湿度和光照，通过App还可以实现远程无线实时监测，既可以应用于家庭养植，对大规模商业种植也有一定的借鉴意义。