基于Leonardo控制芯片的智能浇花系统设计

孙秋凤，李 霞

（南京师范大学泰州学院，江苏 泰州 225300）

0 引 言

随着人们生活水平和生活品质的逐渐提高，养殖花卉是大多数人陶冶情操、装点生活的不二选择。但大部分人会因为忙碌的工作、不间断的出差，忘记给养殖的花卉浇水，致使花卉枯死等。面对令人困扰的花草浇水问题，市场上出现了一些自动浇花系统，根据原理可分三类：自动渗水装置，内部预存水，利用水压自动浇水，缺点是无法判断土壤湿度；定量浇水，缺点是价格较贵，并且也不能根据土壤湿度调节水量；使用单片机控制的浇花系统比前两者价格更高。因此，本文设计了一种更智能、低成本、操作方便的浇花系统。该系统不但可以实现根据土壤和空气温湿度自动灌溉，还可以通过手机端APP修改浇花条件，调节出水量。

1 系统总体设计

本智能浇花系统主要由Arduino Leonardo控制芯片、电源电路、DHT温湿度传感器、土壤湿度传感器、BLELINK蓝牙通信模块、水泵自动控制电路和蜂鸣器报警模块等组成，系统框架如图1所示。

图1 系统框架

Leonardo芯片控制模块、水泵自动控制模块、DHT温湿度及土壤湿度检测模块和蓝牙通信模块是核心模块。系统分为自动和手动模式。自动模式：DHT温湿度传感器和土壤湿度传感器的数据会被控制芯片检测并判断是否需要开启水泵自动浇水。手动模式：用户根据手机APP端显示的空气温湿度和土壤湿度信息判断是否需要修改水泵启动条件，并通过蓝牙模块将指令传输给控制芯片，从而更改浇水条件。

2 系统电路设计方案

2.1 Arduino Leonardo控制芯片

Leonardo是基于Atmega32u4控制器的单片机，工作电压为5 V，采用USB供电或外接6～23 V直流供电，兼容Arduino R3引脚映射，提供14个数字I/O和8通道10位模拟I/O，2个2 A大电流的H桥马达驱动器，内建Xbee插板，集成APC220 RF模块和蓝牙模块插板。图2为Leonardo控制芯片引脚。

图2 Leonardo控制芯片引脚

2.2 DHT温湿度传感器

DHT温湿度传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件，与高性能8位单片机相连。测温范围为0～50 ℃，误差为±2 ℃，湿度范围为20%RH～90%RH，误差为±5%RH，响应时间为6～30 s，测量分辨率为8位（温度、湿度），采样周期间隔不低于1 s。传感器在湿度校验室中进行校准，校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，通信过程如图3所示。

图3 通信过程

2.3 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器探头表面采用镀镍处理，加宽了感应面积，提高了其导电性能，有效解决了接触土壤后探头容易生锈的问题，延长了其使用寿命。探头可直接埋入土壤中，适合在花卉、苗圃等需要检测土壤湿度的环境中使用。

土壤中的水分含量能改变土壤的电阻率，通常情况下，土壤中的含水量越高，导电能力就越强。土壤湿度传感器的金属片在插入土壤中时，能充分接触到土壤，检测到电阻率的改变，并转化成电信号。图4所示为土壤湿度参考数值。

图4 土壤湿度传感器参考值

2.4 BLE-LINK蓝牙通信模块

BLE-LINK是基于TI CC2540蓝牙芯片的通信模块，工作频率为2.4 GHz，灵敏度为-93 dBm，最远传输距离约30 m，兼容Xbee扩展。通信协议为低功耗V4.0，可实现2个蓝牙模块间实物点对点无线透明传输。该模块为主从机设置，无线烧录程序，与PC建立HID连接。

2.5 水泵自动控制模块

水泵自动控制模块中使用继电器控制水泵开关。继电器的作用类似开关，当继电器通电后，线圈流过电流，产生电磁效应，衔铁受到的电磁力大于弹簧的拉力，导致衔铁的动、静触点吸合，即开关闭合。当线圈断电后，失去电磁力，衔铁受弹簧的反作用力回到初始位置，动触点与初始静触点吸合，即开关断开。继电器模块接线端NC代表常闭，NO代表常开，N/A代表空脚，COM为公共端。图5为继电器与水泵的连接图。

图5 继电器与水泵连接图

3 系统软件设计

系统功能软件设计包括传感器检测采集数据（土壤湿度和空气温湿度）子程序、自动灌溉子程序、蓝牙通信子程序等。主要程序流程如图6所示。

图6 系统流程

手机端通过蓝牙模块显示传感器收集的数据，用户在手机端也可更改温湿度的阈值，修改水泵启动的条件。图7为系统实物。

图7 系统实物

4 结 语

针对目前浇花系统有线控制的缺陷，本文设计了一款以Arduino Leonardo芯片为控制器的智能浇花系统，该系统在自动模式下可以实现对土壤湿度、空气温湿度的全天候采集、处理、显示，在手动模式下可以自定义阈值，通过蓝牙修改浇花条件。经测试，该系统反应灵敏，自动控制程度较高，制作方便。本文的设计还可以为其他自动灌溉系统提供参考。