基于Arduino的物联网智能花盆设计

许靖　白欣然　胡世鑫　孙雯颖　刘森　兰丽辉

摘要：物联网智能花盆通过手机App端与植物建立沟通渠道，采用温湿度、光照、PH值等功能传感器监测植物的生长状况，对采集到的数据经Arduino单片机搭建的智能平台融合处理后由Wi-Fi无线传输至用户手机端，使用户能及时了解植物的生长情况并适时采取养护措施。

关键词：物联网;Arduino;智能花盆;Wi-Fi

中图分类号：TP391      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）03-0216-03

Abstract： Smart flowerpot of Internet of things establishes communication channel with plants through mobile App.Temperature， humidity， light， PH value and other functional sensors were used to monitor the growth of plants.After the collected data is fused and processed by the intelligent platform built by Arduino SCM， it is transmitted to the user's mobile phone through WiFi.Users can timely understand the growth of plants， and take timely maintenance measures.

Key words： Internet of Things; Arduino; intelligent flower pot; Wi-Fi

物联网智能花盆准确来说是智能农业的一个分支，通过网络将人与物，物与物联系起来，更加智能地，方便地养护植物。目前国内外已有能够实现植物智能养护、培育的设备， 比如Mc Cready通过对土壤湿度和蒸腾量等的提取进行智能灌溉;Click和Grow设计了一款具备自动浇水和施肥功能的智能花盆等[1]。

Arduino单片机搭建的智能平台是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，它不局限于某种系统，不局限于某种语言，利用Arduino构建的系统可利用各种各样的传感器来感知环境，并可通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境[2]。物联网智能花盆采用温湿度传感器、光照传感器、PH值传感器等采集植物的生长环境参数，并通过Arduino单片机构建的智能平台进行数据处理，控制浇水、移动花盆等机械装置实现自动浇水、调整光线等功能，并可将植物生长的相关数据传输到用户的手机App端，可通过手机实现远程监控等功能。系统的框架结构如图1所示。

1 系统的设计思路

随着互联网的飞速发展，物联网应运而生。物联网体系结构分为三层，即感知层、网络层和应用层。智能花盆是基于Arduino的物联网产品，也存在这三层;它的感知层通过各个传感器完成信息的采集并传入主控芯片进行处理;网络层利用WIFI无线通信，将数据传输到云平台;在应用层的智能终端设备上显示所有的数据，并将这些数据与应用相结合，形成一个完整的体系，系统层次结构图如图2所示。

2 系统的具体实现

硬件系统的设计，主要以Arduino作为控制的核心，由检测装置、执行机构和监视系统一起构成。Arduino单片机可以读取 DHT-11数字温湿度传感器、BH1750FVI数字环境光传感器，PH值传感器[3]，并且还连接有水泵的继电器，可以自动根据温湿度、光照的数据来加水或者调节光照。通过定时装置可以定时转动花盆方向，避免因生长素分布不均造成植物长势不同的状况发生。

软件系统即为手机端的设计，主要基于Android平台开发应用App。用户在手机端App的主界面上通过点击的方式实现连接与控制，提供花草数据及控制智能花盆的各种功能，与花盆连接成功后可以獲取植物现生长环境的各种数据。具体实现框图如图3所示。

2.1 硬件设计

应用DHT11数字温湿度传感器专用的数字模块采集技术和PH值传感技术， 确保高的可靠性与卓越的长期稳定性。

应用BH1750FVI数字环境光传感器可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背景灯的亮度，利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化。

在花盆的底部设计一个可旋转的圆形部件可以定时托起花盆以30°的方向转动。并且因为不同植物的喜光程度不同可在花盆及圆形部件底部装有两个花盆长度的滑道。根据阳光的偏移及植物特性最小程度地移动花盆。当PH值传感器检测到土壤缺水时顶部浇水装置会自动浇水，当检测到土壤水分充足时，停止浇水[4]，但因为底部滑道有两个花盆长度，所以会造成水资源浪费，因此在滑道上会有很多有纱布的小孔，这样多余的水资源会重新回到存水处，以便下次浇水使用等。具体设计如图4所示。

2.2 软件设计

软件系统主要基于Android平台开发应用App。用户在手机端App控制花盆，与花盆连接成功后可以获取植物现生长环境的各数据。

借助Arduino嵌入式平台的WIFI功能，智能花盆内置传感器采集到的温度、湿度、光照等各类数据，可以实时同步到手机App端，方便用户远程监控。用户可以通过手机App选中自己培育的植物。花盆会根据选中植物的品种通过传感器网络对植物进行实时监控。

首先是用户注册界面，每位新用户使用App前都要进行注册，并设置密码;之后要选择自己需要监控的植物（可多选），如希望植物拥有姓名或怕同种植物的数据弄混，可以给自己的植物命名，不需要则可以跳过;此时注册完成，传感器开始采集数据并发送至App端;App通过数据及时向用户反映植物情况，并远程控制花盆的移动、浇水等。如果存水装置中出现缺水状况，花盆会通过App或者蜂鸣报警提醒用户;功能流程图如图6所示

App也会根据不同植物特性推送适合的肥料的品牌或其他用户的口碑品牌，用户可以自行挑选需要的肥料品牌。同时也会向用户推送植物的相关专业知识，和提供用户之间交流的平台，方便用户更好地照料植物。

3 系统的功能测试

3.1 传感器的测试

通过PH值传感器采集的数据与植物所需水分进行对比，不达标的情况下可以对水泵进行控制，远程操作打开水泵进行自动浇水操作，使植物水分充足。通过光敏传感器采集的数据与植物所需光照进行对比，不合格的情况下，可以对舵机进行控制，进行移动花盆的操作，将花盆旋转或在滑道上进行滑动，使花盆移动到阳光下面，增加光照强度。通过PH值传感器采集的数据，可以为植物提供一个较好的可控外在环境。

3.2 App测试

当用户首次使用App时，未经注册阶段，是不可以进行数据分析和控制的，只有注册之后才可以是实现远程控制。打开手机App界面，首先出现登录界面，若未注册，则需首先注册。登录后需先添加植物。若再次打开界面，首页出现植物信息，则为连接成功。当用户注册成功后，可以完成自动浇水、定时转动方向、最小限度移动的控制。若在冬天，室内温度约为16度左右，环境湿度大约是48%，若App显示如下图则为正常。若土壤湿度足够则为五滴水，随着时间的继续，土壤越干燥水滴数越少，当水滴数只剩一个时App会开启提醒功能。土壤养分与土壤湿度情况相同。App还会根据具体匹配的植物进行相关推送内容。

4 总结与展望

虽然智能花盆已经存在一段时间了，但还是有可以完善的地方。对比其他设计增加了定时转动花盆的设计。避免生长素分配不均影响植物形态的状况。同时增加了上位机软件的远程控制。更大程度的方便用户使用。因为需要远程控制，就需要借助服务器，本文选择云平台作为服务器，采用MOTT协议将服务器与WIFI设备数据进行开发[5]。

经过科学的照顾，给植物一个较好的环境，对于主人而言不但不增加工作量，反而节省工作量，是智能花盆存在的意义。但有一些技术还是较难实现。如果不租用服务器而是自己搭建服務器就比较困难，但要远程控制就必须需要服务器，希望以后应用云平台可以实现基于Arduino的物联网智能花盆设计。

参考文献：

[1] 韩梦迪，刘明，王帅，等.基于物联网的花卉养护远程监控系统设计[J].信息技术与网络安全，2019，38（7）：93-96.

[2] 李涵茜.基于Arduino嵌入式平台智能花盆系统[J].科技资讯，2017，15（33）：21-24.

[3] 杨宏斌，常若葵，王远宏，等.基于STM32和Arduino的智能花盆系统设计[J].黑龙江农业科学，2018（10）：170-171，192.

[4] 逯文杰，黎雪芬，李晓会.一种基于STM32的智能花盆机器人[J].科学技术创新，2019（25）：66-67.

[5] 高蒙.基于机智云平台的远程监控系统开发关键技术研究[D].西安：西安理工大学，2019.

【通联编辑：梁书】