基于物联网的植物教学系统设计与实现

洪嘉昱，张家鹏，卢琰琪

(浙江机电职业技术学院自动化学院，浙江杭州，311611)

0 引言

随着社会科学教育水平的升高，steam 教育的兴起，以及学生和老师对于实验的数据可视化、数据准确性以及实验过程可控性的需求日益增高，传统的动植物实验教育模式已逐渐无法满足现有的教学需求。在这样的大环境下，设计一个种针对中小学的科学实验的实验教仪的重要性就体现了出来。采用嵌入式技术、传感器技术再结合物联网技术，使用户可以通过网络或可视化软件编程实现对于实验仪器内的光照、气体、水分等十余种参数进行设定，同时仪器也会将内环境参数实时反馈给用户，大大提高了实验数据的准确性和实验过程的可控性。

1 系统设计

1.1 总体设计

本文提出的植物培养系统总体结构，主要由手机端交互程序和PC 端LABVIEW 构成上位机系统，ESP32-CAM 模块和STM32F103C8T6 构成下位机控制传感器和执行机构。上下位机通过访问云服务器进行数据交互，同时存储历史数据和照片。上位机既可以通过LABVIEW 自行定制，也可以通过手机端操作，只需要拥有访问码即可，以适应不同需求的用户。下位机通过ESP32 自带的WiFi 联网，摄像由ESP32-CAM 模块搭载的OV2640 实现。STM32F103C8T6 负责控制灯光、热量、语音播报、水泵、电磁场、电刺激、超声波等创新功能和读取传感器，ESP32 和STM32 通过串口交换数据。

1.2 光热控制和空气传感器

系统搭载的传感器较多且STM32F103C8T6 程序存储空间较大，适合进行光照度闭环控制。光照度控制系统由传感器BH1750 和白-红-绿-蓝四色LED 灯组成，当室外阳光强烈时LED 灯组亮度自动降低，反之升高，使得箱体内光照度恒定为用户设定值。同理，空气温度由AHT10 采集，与PTC 加热器构成闭环。LED 灯组由STM32F103C8T6 的定时器2 输出不同占空比来控制LED 灯组亮度，PTC 加热器由于使用220V 供电，只能通过固态继电器通断控制发热量，其控制逻辑如图1 所示。

图1 系统结构框图

1.3 二氧化碳闭环控制

考虑到MH-Z19D 等传感器体积功耗较大且成本较高，不适合批量生产，通过市场调研后，经过多种同类产品比较，最后选用了采用基于MEMS 工艺制作的CCS811 的传感器。其具有体积较小，控制代价较低、成本低的优点。其尺寸为4mm*2.7mm且可以和AHT10、BH1750 使用同一条I2C 总线，大大减少了STM32F103C8T6 的一般IO 使用量，提升了控制效率。

二氧化碳的生成采用柠檬酸-碳酸钠中和反应法。该方法相较于气瓶存储法，有效的提升了产生装置的寿命和安全性，同时提升了可控性，进而提升了生成效率。生成装置采用两个PP 塑料盒，其中一个盛放柠檬酸溶液，另一个盛放碳酸钠溶液。通过水泵将碳酸钠溶液泵入柠檬酸溶液中进行中和反应即可产生二氧化碳。如图4 所示，装置至于上方，利用空气自然对流使箱体内二氧化碳均匀分布。采用了与箱内发热控制采用相同的控制逻辑，实现了闭环控制二氧化碳浓度如图2 所示。

图2 闭环控制逻辑图

图3 土壤传感器电路图

图4 土壤传感器PCB 结构

1.4 带有缺水反馈的潜水泵

为了简化装配流程，将缺水反馈装置简化为两个PCB 上的焊盘，利用焊锡自身带有的致密氧化膜防止腐蚀。其中一个焊盘直接接地，另一个焊盘连接STM32F103C8T6 的GPIO 并使能上拉电阻。当水位低于两个焊盘时，GPIO 会读到高电平。这种设计大大减少了装配时间，有效降低成本。

2 传感器及数据采集

传统的电阻式土壤湿度传感器在含盐、潮湿环境中寿命精度易受影响，且市售的电容式土壤湿度传感器价格偏高且功能单一。介于电容式土壤湿度传感器本身原理简单，自行设计基于NE555 震荡的土壤湿度传感电路，并将土壤电导率、土壤酸碱度、土壤温度一并集成到单块印刷电路板上。

如图7 所示,温度传感器LM35 和两对极耳置于前端便于深入土壤。LM35 表面覆盖防水胶，其余元件置于后端并涂刷三防漆覆盖热缩管防潮。NE555将印制电路板上的电容变化转为频率变化，通过程序读取。经实验，频率仅和土壤湿度有关，与土壤密度无关。经过多次测试，传感器的频率随土壤的湿度增加而降低，其具体表现如表1 所示。

表1 传感器检测频率湿度对应关系如表

通过直流恒流源接通土壤来检测其电导率的方法会造成土壤被电解产生极化现象，干扰数据测量。因此需要向土壤接通交流电后测量电压降避免电解反应。如图6 所示，直流脉冲由U2 提供，再由U1A 转换为交流脉冲后通过电极接入土壤。另一端电极采集电压后通过U1B 低通滤波去除干扰，再由U1C 和U1D 进行精密整流，最后送至STM32F103C8T6 的ADC转换。多次取数据取平均值后，带入公式即可求电导。式(1)为电导率计算公式。

图5 发送端例程

图7 超声波驱动电路

其中，S 为电导率S/cm，K 为电导池常数1.0cm-1；R 为R4的阻值2K；U0为信号源电压平均值0v；U1为实际取得的值。

由于土壤电导率受温度和土壤湿度影响较大，需要先读取温度和湿度信息，再通过查表法依次寻找对应β 的值，该系数在25℃时为0.02。

土壤酸碱度由一对铜锌电极组成，利用原电池反应检测土壤的酸碱度，与电导率触点一同安置在头部。经实验，铜锌电极输出的最高电压不超过STM32F103C8T6 的ADC 最大量程且与土壤酸碱度表现出强相关性。

此土壤传感器湿度、温度、酸碱度读取精度较高，电导率检测具有参考意义，制作简单功能完备，契合非实验室使用需求。

3 人机交互及创新点概述

3.1 基于安卓系统开发的交互程序

交互程序主要面向中小学生，因此需要简单易懂。主要包括遥控操作、信息通知、照片成像和密钥设置功能。植物培养箱通过互联网将照片和数据上传至物联网服务器上设置的topic，交互程序访问相应的topic 即可取得数据和图片。交互程序采用B/S 架构，Vue.JS 作为框架，遵循Web 交互程序的设计思路。因此不需要通过应用商店的审核，可以直接通过浏览器“安装”。区别于传统的植物培养箱仅限于实验、记录，还设计了将多张照片组合成延时摄影视频的功能，能够将植物整个生长周期内所有的照片汇总成一支视频，让使用者直观了解植物生长的过程。为了方便批量管理，利用物联网服务器同时需要cmd（命令）、uid（用户id）、topic（话题）的特性，设置密钥功能。cmd 和uid 始终恒定，设置不同的密钥就相当于访问不同的topic，而topic 在出厂时后台设置好后交给用户，因此使用方便不需要注册账号密码。免安装、跨平台、无账号是该交互程序面向中小学生实际情况所达到的特性。

3.2 PC 端LABVIEW

植物培养箱需要面对多种使用需求，为了便于用户改装和更改使用方式，还设计了LABVIEW 例程。采用软件定义仪器的思维，如用户需要增加定时或条件启动某功能，可以自行更改。手机端和PC 端同样采用物联网服务器进行数据存储和转发，该设计同时考虑到中小学生需要的易用性和其它用户需要的可定制性。

3.3 创新功能

与传统的植物教学不同，为了启发中小学生的创新思维和提升实验能力，开创性地增加了音波、电刺激、磁场刺激、超声波、乙烯喷洒功能。这些功能能够勾起学生的好奇心，更愿意动手动脑研究，弥补现有教育方式的不足。

JQ6500 模块内预先烧录摇滚乐、古典乐、白噪声、低频声、高频声，再通过放大电路和扬声器直接在箱体内播放。音波刺激植物生长在先前已有实验，通过本系统可以将实验规模扩大化，便于学生通过实验寻找不同品种植物最合适的音乐种类以及求证音波本身是否利于植物生长。

为了方便研究乙烯对植物生长的影响，创新性地在箱体内设置了基于超声波雾化模块的乙烯喷洒装置。乙烯无毒，通常喷洒浓度不大于500mg/Kg,利用单片机延时来控制超声波雾化模块工作时间，进而控制箱体内乙烯浓度。该功能相较于原本手动喷壶喷洒，具有准确度高、全自动的优势，简化实验流程。

电刺激功能通过STM32F103C8T6 的定时器配合查表法产生SPWM 波，再交由RC 积分电路转换成正弦波。先前已有电刺激增加农作物产量的实验，通过直接集成在箱体内的方式便于学生研究电刺激与植物生长的关系。

为了方便研究低频交变磁场对植物的影响，设置了一个非固定的空心线圈管，根据空心电感计算公式（2）：

其中线圈直径d 取50mm，匝数取500，线圈长度l 取50mm，可得电感值L 为8.493mH。在电源为5v 50Hz 的情况下，最大工作电流2.73A。集成该功能能够将电磁生物学这门边缘学科带到学生身边，对学生具有启发作用。

考虑到单个16mm 超声波发射头发射功率较小，无法使实验对象发生明显变化，设计为成单个大功率型41mm 发射头。驱动方式采用非门推挽，能够在发射头上产生交流方波，最大程度利用电源电压。

4 结束语

本文以STM32F103C8T6 单片机为核心，结合传感器BH1750、CCS811、AHT10，辅以交互程序与LABVIEW，形成了一个完整的控制系统。该系统可以检测并控制光照的颜色与强度，空气的湿温度与二氧化碳含量，土壤的电导率、酸碱度与温湿度，以更好的控制植物的生长环境。并创新性的加入了音波、电刺激、磁场刺激、超声波、乙烯刺激生长功能。不但增加了中小学生植物科学实验的创新性，提高每一次实验的成功率。