基于Wi-Fi的自动寻光智能盆栽系统研发

高 波，李兆泽，张春茜，彭 程，路文梅

(1.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市黄河西路49号 061001；2.河北水利电力学院电力工程系，河北省沧州市黄河西路49号 061001；3.沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市黄河西路49号 061001；4.河北水利电力学院电气自动化系，河北省沧州市黄河西路49号 061001)

近年来，随着人们生活质量的提高和绿色生活方式的倡导，更多家庭选择在居住环境中放置一些盆栽花卉以改善空间环境。自然界中植物的健康生长需要合适的光照、水和营养，而家居环境中的盆栽在无人看守时常会面临缺光照、缺水等生存困难。结合智能家居物联网技术，国内外学者针对可实现盆栽正常生长的智能监控系统进行了一定的研究[1-7]。

英国布鲁内尔大学学生Natalie King首先提出智能花盆并设计出利用指示灯、温度计和湿度计反应植物生长环境的智能盆栽系统[8-9]。南通大学韩梦迪、刘明等人设计了基于物联网的花卉养护监护系统，实现了花卉生长环境温湿度和光照的监测，并具有自动浇水功能[10]。山西农业大学董红松、闫静等设计了基于STC89C51单片机的盆栽浇花系统，实现了对土壤湿度的检测、自动浇水以及报警功能[11]。湖南农业大学李雨璇、陈刚设计了基于单片机的物联网智能浇花系统，实现了图像和湿度数据的采集并上传，并通过继电器控制自动浇水[12]。同时一些简易的智能花盆实现了市场化，比如小米智能花盆成为较为畅销的智能花盆产品[13]。但这些市场化智能花盆功能相对简单，只能通过指示灯传达肥力水分等信息。目前，国内外所研究的智能盆栽系统基本能满足盆栽生长需求，部分花盆管理系统具有一定的远程监控功能。但是，针对较长时间无人看守时，这些盆栽监控系统功能过于简单，缺少适应光照、温度和湿度变化的能力，而且系统可移植性不强，不能灵活应对不同植物的生长需求。

针对上述不足，文中基于STM32F103ZET6控制器，利用Wi-Fi模块，构建物联网平台，设计出一款可靠、灵活且可远程监控的自动寻光智能盆栽系统。

1 系统结构及原理

智能盆栽系统包括感知执行层、网络层和应用层，如图1所示。其中，感知执行层主要包括能反映环境变化的各类传感器模块和控制器可操作执行模块，可实现系统对环境信息量的获取，并可以执行系统下发控制命令。网络层主要包括Wi-Fi模块和云平台，可实现监测数据和控制命令实时双向传输和存储，完成用户和盆栽系统的互联。应用层主要包括手机APP，用于实现用户与智能盆栽系统的互动。

图1 智能盆栽系统总体结构图Fig.1 Structure of intelligent potted plant system

首先，由光敏电阻传感器、温度和湿度传感器、声波测距传感器获取实时环境信息，经过A/D转换将数据传递给主控制器并显示。其次，STM32主控制器对获取数据进行分析，结合盆栽对光照、水分的生长需求，根据需要下发相关命令到相关执行模块。再次，STM32通过Wi-Fi模块构建物联网云平台，将环境数据实时传递给用户手机APP，以实现盆栽远程监控。最后，用户可根据需要，利用APP远程控制自动寻光和智能浇水模块。

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

主控制器是整个系统的核心单元，采用以32位高性能ARM Cortex-M3处理器为内核的STM32F103ZET6单片机。其拥有144个引脚，包括112个I/O口，内核时钟频率高达72MHz。STM32F103ZET6单片机包含512kb的FLASH和64kb的SRAM，还拥有18个ADC通道，最大转换速率为1MHz，具有较高准确率。主控芯片可实现RS485接口与Wi-Fi模块进行双向数据传输。强大的内核和丰富的资源使得STM32F103ZET6单片机得到了广泛的应用。

2.2 传感器

智能盆栽系统通过多路传感器获取光照强度、温度、湿度和障碍物距离等环境信息。通过主控芯片内部时钟设置，控制I/O口扫描周期，定时查询I/O口的信号输入，从而降低主控芯片的能量消耗。

其中，光照强度由LXD3537光敏电阻传感器输出的模拟量信号经ADC通道转换得来。可测光强范围为0到1×105lux，测量精度为24.5lux。系统采用DS18B20温度传感器和YL-69土壤湿度传感器。DS18B20输出的是数字信号，抗干扰能力强，温度测量范围-55℃～125℃，可以精准的测量盆栽的环境温度。YL-69土壤湿度传感器，可输出模拟量信号和数字量信号，其模拟量输出采用LM393比较器，模拟量信号输出稳定且精准。

系统采用HY-SRF05声波测距传感器来保证执行自动寻光时能及时避开障碍物。HY-SRF05测距传感器主要测距范围2cm到450cm之间，其精度可以达到0.1厘米，其范围和精度均符合此智能花盆系统。当声波测距传感器接收到主控芯片提供的10微秒TTL信号后，会循环发出8个40kHz的脉冲，声波测距传感器一旦捕获到回响信号，主控芯片就会通过开始发射信号和捕获回响信号的时间间隔计算出障碍物距离盆栽的距离。

2.3 通讯单元

智能盆栽系统进行数据采集和处理的同时，利用Wi-Fi模块将数据上传到云平台，实现手机APP的远程监控。Wi-Fi模块采用超低功耗32位微型控制器ESP8266芯片，带有16位精简模式，主频支持80MHz和160MHz，可以很好的满足智能盆栽系统的双向数据互传。由ESP8266构建通讯单元原理图如图2所示。

图2 通讯单元电路设计图Fig.2 Design of the communication unit circuit

主控芯片使用TIM3定时器定时的通过RS-485接口与Wi-Fi模块进行数据通讯，并由Wi-Fi模块通过GAgent应用程序实现与云平台数据的双向传输，可供用户访问。RS-485接口采用平衡驱动器和差分接收器的组合，拥有很强的抗干扰能力，保证其与ESP8266之间信息交互的稳定性。

2.4 自动控制单元

自动控制单元包括自动寻光和智能浇水单元，其电路设计图如图3所示。

图3 自动控制单元电路设计图Fig.3 Design of the automatic control unit circuit

智能盆栽系统利用37GB-555型直流减速电机实现自动寻光功能。电机采用12V电压，额定转速为10r/min。采用L298N直流电机驱动模块，控制电机的正反转，确保了盆栽匀速平稳地寻光。

智能浇水单元利用立式3V微型潜水泵实现。电机可工作在温度为-20℃到50℃的水中，可以满足任何时间供水的需求。

3 系统软件设计

3.1 云平台的开发

基于机智云物联网云平台，智能盆栽系统可实现主控芯片与用户的信息共享和信息交互。构建智能盆栽云平台系统包括以下步骤：

(1)在云平台上创建新产品，并选择合适的通讯方案。

(2)在新产品下创建满足数据传输和命令下发需要的数据点，如表1所示。

表1 智能盆栽系统的数据点表

(3)使用虚拟设备进行线上调试，达到要求后，生成独立的MCU代码。

(4)使用MDK-ARM开发环境对MCU代码进行开发，并下载到STM32上，使主控制器可以采集数据并控制ESP8266进入AirLink模式。

(5)在AirLink模式下，使用手机APP，把特定广播包发送给Wi-Fi模块，实现智能花盆系统与APP的连接。

(6)完成物联网云平台的构建。

3.2 主控制器程序设计

在完成智能盆栽系统云平台构建的基础上，进行主控制器程序设计。主要包括主程序、自动寻光子程序、智能浇水子程序等。

主程序流程图如图4所示。首先，程序初始化，收集盆栽温湿度、光照等环境数据，并将数据在TFTLCD上显示。然后，主控制器连接物联网云平台，并上传数据。最后，运行自动寻光子程序和智能浇水子程序。用户通过TFTLCD和手机APP随时了解盆栽环境数据，并可人工调节干预环境，让盆栽有更好的生长环境。

图4 主程序运行流程图Fig.4 Principle operation flow chart

自动寻光子程序如图5所示。首先判断手机APP是否下达自动寻光命令。其次，判断光照强度是否在设定的阈值内。然后，检测移动路径上是否有障碍物。最后，根据逻辑判断完成自动寻光，使盆栽向着光照强度大的方向移动，直到光照强度达到设定阈值。当路径上出现障碍物时，停止自动寻光。

图5 自动寻光流程图Fig.5 Automatic light search flow chart

智能浇水子程序如图6所示。首先判断手机APP是否下达开启智能浇水命令。然后，在水箱有水的情况下，判断土壤湿度是否在规定的阈值内。若不在阈值范围内，延时5min后进一步判断。最后，根据逻辑判断完成智能浇水功能。当土壤湿度达到设定阈值后停止浇水。自动寻光流程图如图5所示。

图6 智能浇水流程图Fig.6 Intelligent watering flow chart

4 系统运行测试

在完成硬件电路设计和软件编程后，对系统进行了运行测试。其现场监控界面如图7所示。由TFTLCD显示电池电量、时间、光照强度、环境温度和土壤湿度等信息。用户可根据需要，利用手机APP远程实时监测到土壤湿度、电池电量、环境温度和光照强度等信息。同时手机APP可以设置是否开启自动寻光和自动浇水功能，并设定湿度和光照阈值。手机APP数据显示及指令设置界面如图8所示。

图7 TFTLCD数据显示Fig.7 TFTLCD data display

图8 手机app数据显示及指令设置界面Fig.8 Mobile app data display and command setting interface

为测试系统远程监控和自动控制功能，通过手机APP开启自动寻光和自动浇水功能，设定光照、湿度阈值等信息，并选择湿度和光照低于阈值的时刻进行测试。在光照强度等于光照阈值时停止自动寻光，使光照强度保持；在土壤湿度等于湿度阈值的时停止自动浇水。最终由于自动浇水的实现，土壤湿度保持在了大于湿度阈值的位置，测试数据折线图如图9所示。经过一段时间的反复试验，结果表明该智能盆栽系统通过执行自动寻光和智能浇水功能完成预期目标，达到预期效果，满足实际需求。

图9 测试湿度和光照强度数据折线图Fig.9 Humidity and light intensity test data

5 结束语

随着科技的发展和智能家居的普及，利用手机设备就可灵活控制各类家居设备正成为现实。文中以盆栽远程监控问题为研究对象，设计一套以STM32F103ZET6为主控制器的智能盆栽系统。系统通过Wi-Fi模块构建物联网云平台，实现手机APP与终端传感器互联，实时获取盆栽生长环境的数据，并可以自动调节水分和光照等生长环境。经过多次测试改进，所设计的智能盆栽系统在实际运行中可以长时间稳定运行，为盆栽提供最佳的生长环境。

文中设计的智能盆栽系统解决了长时间无人看守的植物对光照和水分的需求问题，节省人们打理盆栽时间，达到省时省力的效果，满足了人们绿色的生活理念。具有性能稳定、操作灵活、维护简单的优点，对于智能家居的发展提供了重要参考价值。