家用智能蔬菜种植系统设计

付于 林智慧

摘要：设计以STM32单片机作为核心控制器，外围结合了温湿度传感模块、光照传感模块、报警模块、电源模块、执行模块、显示模块等。当系统启动时，温湿度传感器和光照强度传感器会持续检测蔬菜种植柜中的环境数据，当检测值不满足预设值时，系统会对当前的温湿度和光照强度进行补偿，一旦检测数据满足预设值时，系统会停止补偿，继续检测。经测试，该家用智能蔬菜种植系统运行稳定，性能良好，具有操作方便、成本低、占地小等优点。

關键词：蔬菜种植系统;STM32;传感器

中图分类号：TP3       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）32-0111-02

随着人们生活水平的提高，人们对于食品安全和休闲娱乐的需求越加明显，特别是一些城市居民，在使用智能蔬菜种植系统时，不仅能够收获新鲜的蔬菜，还可以丰富自己的日常生活。市面上所售的蔬菜种植架结构简单，功能单一，对种植环境和使用人员具有较高要求，很大程度上限制了室内蔬菜种植的发展。本文所研究的家用智能蔬菜种植系统将降低城市用户对于蔬菜种植的技术及环境条件，通过采集的数据对蔬菜生长进行自动控制，全程无须干预，方便种植。该系统对用户基本无种植经验要求，其种植简单，具有观赏性、娱乐性、重视用户体验，是解决城市居民对生态蔬菜需求的一种新途径。

众所周知，当蔬菜所处的环境温度、湿度和光照强度过高或者过低时，都会影响蔬菜的生长和发育，由于环境不适宜而引起蔬菜发黄、干枯、坏根是室内种植蔬菜最容易出现的问题，进而影响到蔬菜的外观，使种植者对于室内种植蔬菜丧失兴趣。由于城市居民大多数是没有蔬菜种植经验的，在室内环境中种植土壤较浅，水分较容易流失，且在室内光照、通风和温湿度都不太适宜蔬菜生长。所以，一种智能蔬菜种植系统的研究和设计可以降低城市居民在室内种植蔬菜的难度，以此满足人们在室内种植蔬菜的美好愿望。

1 总体方案设计

将种植架置于室内合适的地方，播种蔬菜种子或者幼苗，同时启动智能种植系统开始工作。种植系统上的光照传感器实时采集光照数据，并将数据传输到控制系统中，控制系统会根据事先输入的该品种蔬菜适宜生长的光照参数来检测当前光照强度是否合适，一旦强度低于预设值，就启动光照强度补偿功能，将光照强度调整到适宜生长的强度范围。同理，系统上的温湿度传感器实时检测环境的温度及湿度，并将数据传输到控制系统。当温度偏低时，控制系统会根据事先输入其中的该类蔬菜生长数据来控制增温装置进行增温，使温度达到最适宜温度;当温度偏高时，控制系统会控制降温装置进行降温。湿度不达标时，系统就会启动雾化系统，将土壤湿度补充到最适宜生长的湿度。系统的结构框图如图1所示。其中执行模块包括降温、加湿等装置。

2系统硬件设计

2.1控制模块

本设计采用的核心控制器是STM32F103C8T6单片机，该单片机基于超低功耗的ARM Cortex-M3 处理器内核，整体增强了技术性和功能性，它是一款工作性能比较好、使用成本比较低、功耗比较小的一种嵌入式应用芯片。其内部主要包含了片上集成64KB的Flash存储器和20KB的SRAM存储器，同时还具有非常丰富的片内外设，如看门狗、定时/计数器、I/O口、DMA控制器、模数转换器、串口等。控制模块原理图如图2所示。

2.2温湿度检测模块

本系统采用的温湿度传感器是DHT11数字温度传感器，它不仅可以把温度信号直接转换成数字信号交由单片机控制器进行分析和处理，而且采用的是单线接口。其中最突出的特点是：可以直接将温湿度信号转换成数字信号进行传输。该传感器在测量的准确度、转换时间、传输速度中都比传统的温湿度传感器有明显优势。同时，该传感器可以更准确地解决各种情况下出现的误差，使温湿度传感器在可靠性和安全性方面表现优良。DHT11传感器的特点是可以采用一根单线进行信号传输，无须外围元件;可以实现多个测温点;测温范围为0-225摄氏度;测量的数据值可以再次进行编程。当温湿度达到预设值的时候，就会进行报警处理。其电路图如图3所示。

2.3光照强度检测模块

光照传感器主要应用于检测光照强度是否满足蔬菜的生长要求，以保证蔬菜能够在合适的光照下生长。系统采用的光照强度检测模块是GY302。该模块是一款基于IIC通信的16bit的数字型传感器。模块主要是以BH1750数字型光强感应芯片为核心及一些外围驱动电路构成，可以测量的光照度范围为0～65535勒克斯，最小误差波动为±20%，分辨度为1勒克斯。此模块是一个五针脚模块，包含VCC、GND、SCL、SDA、ADDR五个引脚。其中VCC接电源正极，其电压范围在3～5V之间;GND接地;SCL为时钟线;SDA为数据线;SCL和SDA与单片机相连时接上一个5k阻值的上拉电阻;ADDR为寄存器的地址引脚，其接地时器件地址为0100011，接电源正极时器件地址为1011100。

3系统软件设计

蔬菜种植系统上电启动后，通过温湿度传感器DHT11和光照强度传感器GY302实时检测温湿度和光照参数，并将检测数据传输到主控制系统，主控制系统对传输过来的数据进行分析和处理，最终判断出种植柜里的温度、湿度和光照强度是否复合设定范围。若满足，则继续监测环境数据;若不满足，声光报警器报警，执行模块工作，进行相应参数的补偿，直到满足设定值范围，关闭补偿，继续监测，如此往复。系统的主程序流程图如图4所示。

4 系统测试

软硬件设计调试后，进入到系统测试阶段。当实物上电启动后，手动模拟环境参数变化，温湿度传感器和光照强度传感器会持续检测蔬菜种植系统中的环境数据。当检测值不满足预设值时，系统会对当前的温湿度和光照强度进行补偿;当传感器检测到环境数据满足预设值时，系统会停止对当前温湿度和光照强度进行补偿，继续进行参数检测。系统实物如图5所示。

具体模拟测试过程为：用手将光照强度传感器遮住，模拟 室内的光照条件，补光系统开始工作;系统稳定后将手拿开，模拟室内光照强度增加，种植系统停止补光;用手接觸温度传感器模拟室内环境温度升高，种植柜提示灯亮起，风扇开始工作;待系统稳定后将手拿开，模拟室内温度降低，风扇停止转动;把湿度阈值设置为高于当前湿度值，将湿度传感器置于湿抹布之上，从而模拟湿润土壤，待数值稳定后，拿开湿抹布模拟土壤湿度降低，种植系统的水泵开始工作。待系统稳定后再将湿抹布置于湿度传感器上，模拟土壤湿度增加，水泵停止工作。

测试结果表明，系统工作稳定，运行正常，测量数据准确，误差在允许范围内。

5 结语

在物联网技术蓬勃发展的今天，智能化的蔬菜种相较传统意义上的种植更加人性化和科技化。在城市居住环境中，利用阳台等空间，种植蔬菜，不仅能够美化环境，消遣闲暇时光、改善室内环境，又能食用到新鲜营养的绿色食品，一举多得。市面上所具有的蔬菜种植架结构简单，功能单一，对种植环境和使用人员具有较高要求，所以限制了都市农业的发展。本文所研究设计的智能蔬菜种植系统具有成本低、使用简单、稳定易用等特点，弥补了传统种植的不足，将成为今后室内种植的一种新模式，拥有广阔的市场应用前景。

参考文献

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[2] 段宇婷.面向城市家庭的蔬菜智能种植设备设计研究[D].长春：吉林大学，2020.

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[4] 张杰，王金翔.浅谈基于物联网的智慧大棚种植系统[J].广东蚕业，2019，53（4）：31-32.

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【通联编辑：朱宝贵】

收稿日期：2021-05-25

基金项目：西安思源学院2020年国家级大学生创新创业训练项目（S202013121004S）

作者简介：付于，本科在读;林智慧，女，副教授，主要研究方向为电子通信技术等。