基于WiFi的智能浇花系统设计与实现

2021-03-29

智能城市 2021年5期

（南昌师范学院，江西南昌 330032）

随着人们的生活质量不断提高，越来越多的家庭会在室内养花草来装点环境、净化空气，而且能够陶冶情操、丰富日常生活。近年来，工作和生活节奏逐渐加快，出差、旅游、学业繁忙等导致人们难以有充足的时间对花草进行养护。因此，本文设计了一种基于WiFi的智能浇花系统，可以对土壤湿度进行实时监控，将信号数字化处理和输出，根据设定的湿度上、下限进行浇水，实现智能浇花。

1 总体设计

1.1 系统功能

此系统主要利用土壤湿度传感器FC-28对土壤湿度信号进行实时采集，采用STC89C51单片机为核心，实现对信号的数字化处理与输出，用WiFi模块ESP8266进行远程控制，将实时湿度与设定的湿度上、下限进行对比分析，确定浇水系统的工作情况。

1.2 系统框图

本系统主要由按键模块和湿度检测模块作为输入模块，经过STC89C51芯片对输入的信号进行处理，通过LCD显示模块、报警模块和驱动模块进行输出，WiFi模块既是输入模块又是输出模块，通过此模块实现数据的远程交互。

总体框图如图1所示。

图1 总体框图

2 硬件电路

2.1 STC89C51最小系统

核心芯片STC89C51完成传感器采集信号及输出部分的分时控制。

复位电路由K1、C3和R1构成，按住K1按键，电源VCC经C3、R1充电在RST端产生一个复位的高电平。

晶振电路由Y1、C1和C2构成的并联谐振回路。

STC89C51最小系统如图2所示。

图2 STC89C51最小系统

2.2 LCD显示模块

LCD1602液晶实现当前湿度、湿度上限和下限阈值显示。单片机P0～P7分别与LCD数据端相连，P2.5～P2.7分别与LCD的RS、RW、EN端相连。LCD的字符由ASCII码表显示，通过数据端的接收的信号转化为显示的字符。

2.3 湿度检测模块

湿度检测模块由土壤湿度传感器FC-28和ADC0832模数转换器构成，J1是两个插片，插在土壤里，AC口用来采集电压值，经过ADC0832进行A/D转换，再通过引脚P12、P13、P14传给单片机进行处理。

1602液晶显示的电路如图3所示，湿度检测的电路如图4所示。

图3 1602液晶显示电路

图4 湿度检测电路

2.4 按键模块

本次设计采用的是独立按键，通过三个按键实现对上、下限土壤湿度的设置，K2为设置按键、K3为加按键、K4为减按键。按下按键后，单片机的引脚P15、P16或P17变为低电平，实现对系统的土壤湿度上、下限阈值设置。

2.5 WiFi模块

WiFi模块实现土壤湿度信息的实时展示与远程控制浇花。采用ESP8266_12芯片，TXD与RXD分别接至单片机的P30与P31引脚，实现数据的远程交互。

按键与单片机的接口电路如图5所示，WiFi模块电路如图6所示。

图5 按键电路

图6 WiFi模块电路

2.6 驱动模块

驱动模块电路使用5 V水泵喷水，因为水泵属于大功率装置，所以选择三极管9012辅助单片机来实现对水泵的控制，当单片机的引脚P20为低电平时，三极管导通，水泵正常工作；否则，水泵不工作。电容作用是滤波，滤除水泵供电电源中的低频参量，使水泵稳定工作。

2.7 报警模块

当土壤湿度低于所设定的湿度下限时，蜂鸣器启动报警，对土壤进行浇水等操作后，使土壤湿度回到设定的范围，蜂鸣器停止报警。当单片机的引脚P11为低电平时，三极管9012导通，蜂鸣器报警，同时LED也会闪烁。

驱动模块电路如图7所示，报警模块电路如图8所示。

图7 驱动模块电路

图8 报警模块电路

3 软件程序

该系统的软件代码采用模块化设计，包括湿度检测程序模块、AD转换程序模块、显示程序模块等。上电初始化，采集土壤湿度值，设置湿度上、下限，系统自动判断是否满足浇花条件，将采集的数据显示在LCD显示屏上。若当前土壤湿度低于预设湿度下限值，蜂鸣器启动报警，水泵启动浇花；土壤湿度高于预设湿度下限值时，蜂鸣器停止报警，水泵继续进行浇水，直到土壤湿度值高于预设湿度上限值，水泵停止浇水。主流程图如图9所示。

图9 主流程图

4 系统测试

4.1 测试条件

系统测试如图10所示。

图10 系统测试

将土壤湿度传感器置于盆栽植物土壤中，在室内室温条件下，将系统上电，打开开关。此时，观察LCD显示屏上的显示值，液晶第一行显示实际的湿度，液晶第二行显示上次断电前的湿度上限值和湿度下限值，可以通过按键或手机设置土壤湿度合适的上、下限阈值，按下选择工作模式按键可以切换手动模式和自动模式。

手动模式：按下按键，电机抽水，实际的湿度值不影响水泵的工作状态，只有再按下按键才能停止抽水。自动模式：实际湿度在湿度上、下限范围内，水泵不工作，红灯不闪烁，蜂鸣器不响，绿灯常亮；实际湿度小于湿度下限，水泵工作，红灯闪烁，蜂鸣器报警；实际湿度大于湿度下限，水泵不工作，红灯不闪烁，蜂鸣器不报警，此时打开系统WiFi功能，则可以通过点“开/关”键向水泵发送工作指令。