基于STC单片机的名贵花卉全自动养护智能装置

刘定策 ，伍家鸿 ，王 浩 ，杨 洋

（1.河南理工大学 电气工程与自动化学院，焦作 454100；2.杭州电子科技大学 网络空间安全学院，杭州310018）

随着我国人民生活水平的日益提高。现代人想拥有绿色环保的家庭环境和生活质量，同时人们在满足物质需求的基础上，也开始注重精神需求。屋顶花园成为了新时代潮流，名贵花卉市场进入快速发展的时期[1]。目前名贵花卉的养护，需要投入大量的人力、物力、财力，现行的屋顶名贵花卉种植虽然十分普遍，但由于技术人员缺乏，往往会造成出力不讨好的局面[2]。故在此设计了能够全自动养护名贵花卉的智能装置，该装置使花卉土壤湿度保持在一个合适的水平，并可根据用户的需要提取数据库中传感器的湿度数值。其设计目的在于实现名贵花卉养护的自动化、智能化，提高养护效率，解放劳动力。同时为促进作物增产，降低生产成本，提高经济效益起到积极的作用。

1 智能装置总体设计方案

名贵花卉全自动养护智能装置主要由温湿度检测单元、系统主控单元、电阀门控制单元、nRF24L01远程通信单元、稳压供电单元等模块构成。系统总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the system

土壤湿度检测依据土壤湿度传感器，通过传感器对土壤中的温湿度进行采集，由单片机进行数据对比，进而控制电阀门1开合，实现自动灌溉。同时，设有防过水装置，将检测到的地表湿度与预设值进行对比，控制电阀门2的开合，实现过水吸水。

空气温湿度检测通过空气温湿度传感器检测数据，将数据反馈至单片机，单片机控制超声波雾化装置的开合，达到降温增湿的效果。

nRF24L01远程通信单元可根据需要，上位机发送不同花卉不同季节以及不同生长周期对水的需求量表至单片机，从而实现对花卉不同生长周期或不同品种花卉种植时各部分预设值的改变，实现装置的智能化。该量表数据通过实地调研考察，以及大数据比对得出，具有很高的精确性，可保证花卉的健康成长。用户也可根据需要通过nRF24L01对整个过程进行远程控制。

2 硬件系统设计

2.1 主控单片机选型

考虑到系统的稳定性与精确性，结合实际需求，选取STC12C5A60S2系列单片机作为主控单元。该系列单片机与传统51单片机兼容，内部RAM高达1280 B，运行速度提高了8～12倍，具有高速、低功耗、抗干扰等特点[3]。

2.2 检测与控制电路设计

在检测方面，考虑到电路的方便简洁以及检测的精准度，根据系统设计要求的指标并考虑成本问题，选用了3个DHT11传感器，分别用做土壤湿度检测、地表湿度检测、空气温湿度检测。DHT11应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的、长期的稳定性[4]。

系统中DHT11温湿度传感器采用5 V供电，共有4个引脚：脚1接电源，脚2接单片机（将采集到的数据传送给单片机），脚3悬空，脚4接地。3个传感器的脚2分别接于单片机P1.2，P1.3，P1.4，以实现土壤、地表湿度及空气温湿度数据的采集。3个检测电路结构相同，具体如图2所示。

图2 检测模块电路Fig.2 Detection module circuit

控制部分主要是通过单片机控制继电器开合，（对应于水阀和雾化器的启停），实现缺水灌溉、过水吸水以及超声波雾化降温增湿。3个部分彼此独立，结构一致[5]。控制模块电路如图3所示。

图3 控制模块电路Fig.3 Control module circuit

在此使用1个PNP型的三极管：e极接VCC；c极接继电器的脚3，用于驱动继电器开合；b极通过1 个 200 Ω 电阻，接到单片机的 P1.X（在此指 P1.5，P1.6 或 P1.7）口。 刚开始时，单片机的 P1.X 口是高电平，继电器线圈不通电，继电器不工作。当单片机的P1.X口电位拉低时，三极管导通，使继电器的线圈通电，继电器工作（相当于水阀和超声波雾化加湿器工作），从而实现缺水灌溉、过水吸水和超声波雾化降温增湿功能。

2.3 无线通信电路设计

该系统采用nRF24L01通信。nRF24L01是一款无线通信芯片，工作在214～215GHz ISM频段，工作在1.9～3.6 V，多达 125个频段可供选择。 无线通讯速度可达2 Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能[6]。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12～13 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便[7]。nRF24L01与单片机的连接如图4所示。

图4 无线通信电路Fig.4 Wireless communication circuit

2.4 稳压电路的设计

该装置采用自行设计的自寻光太阳能光伏发电板发出的5 V直流电通过稳压、调压电路供电[8]。

统计上述各模块对电压的需求，共需要3.3，5，12 V三种稳定输出电压值。该装置采用AMS1117降压实现5～3.3 V的稳定输出，LT1930A升压实现5～12 V的稳定输出，分别为装置各部分供电。稳压、调压电路的设计如图5所示。

3 软件系统设计

所设计的系统软件主要包括主程序、土壤湿度检测与灌溉子程序、空气温湿度检测与超声波雾化加湿子程序、通信收发数据子程序等。主程序流程如图6所示。

图5 稳压、调压电路Fig.5 Voltage regulating and voltage regulating circuit

图6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

主程序对装置各部分进行初始化，将采集到的数据进行处理保存，判断是否超限，超限则执行发送、控制子程序，然后循环，未超限则直接循环。

当数据超限时，触发通信发送数据子程序，发送数据，通过nRF24L01发送到上位机。发送数据子程序流程如图7所示。

上位机可以向系统发送数据量表或者控制指令，触发中断程序，接收数据。接收数据中断程序流程如图8所示。

4 试验结果

在花盆内部署土壤湿度传感器以构建模拟试验平台，土壤材料选取普通的适合花卉生长的泥土，花卉采用人们较为熟悉的君子兰，采样间隔设为6 h。在系统工作一段时间后，用户便可以提取寄存器中存储的湿度数据。

图7 发送数据子程序流程Fig.7 Sending data subprogram flow chart

该系统试验时长10 d，检测模式的君子兰土壤湿度值见表1。测试结果表明，检测模式在土壤质量湿度＜10%的24 h后浇水，并记录下系统工作10 d的土壤湿度值；对花卉适时自动浇水，实现了自主学习的功能，达到了智能浇水的目的。

表1 君子兰土壤湿度值Tab.1 Soil moisture value of kaffir lily

试验证明，所设计的名贵花卉全自动智能养护装置可以很好地维护花卉的生长，并能够促进作物增产，降低生产成本，且操作方便，运行无障碍。

5 结语

针对目前名贵花卉养护效率低，依赖人工性强，费用高的现状，设计了基于单片机的名贵花卉全自动养护智能装置。该装置具有自动灌溉、自动降温增湿、远程监控等功能，可以实现控制名贵花卉生长土壤温湿度、空气温湿度，并充分利用太阳能等清洁能源。监护者可以实时地检测植物的生长状况，进行远程操作。该装置在小型区域名贵花卉养护方面，如屋顶花园，有很好的使用推广价值。