室内盆栽智能浇灌系统的设计

胡轩亭，刘虹羚，黄聪贤

（南京科技职业学院 电气与控制工程学院，江苏 南京 210048）

0 引 言

在室内摆放植物盆栽可以起到美化装饰环境、净化空气的作用，但当人们长时间不在室内或疏于管理时，植物会因缺水甚至干枯死亡，因此设计一种用于室内盆栽的智能浇灌系统，具有重要的实际意义。目前，国内的室内智能浇花系统主要基于51单片机控制，能够依据植物土壤湿度情况而控制水泵开启或关闭，并通过LCD显示屏显示实时数据。还有相关研究提出在系统中增加温湿度传感器DHT11和WiFi模块，系统采集环境温湿度数据并发送给单片机，通过WiFi模块实现单片机与手机APP的通信，用户通过手机APP可以查看实时数据，并下发控制指令，实现手动控制。

基于此，本文提出一种新型室内盆栽智能浇灌系统，首先对系统总体设计方案进行分析，然后结合系统硬件电路设计、软件系统设计等方面介绍系统的功能。

1 系统总体方案设计

如图1所示，系统采用STM32单片机作为微控制器，太阳能模块为系统提供电源。传感器组包括YL-69土壤湿度传感器和DHT11环境温湿度传感器，传感器电源控制模块实现单片机对传感器组供电时间的控制，定时采集数据，采集频率可调，节约能源。传感器采集数据后在LCD液晶显示屏实时显示，并通过WiFi模块发送给云平台，云平台与手机APP交互，APP里可以显示传感器数据并控制浇灌。

图1 系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 主控模块

本系统选用意法半导体公司的STM32F103VET6芯片作为微控制器，芯片可以工作在-40～105 ℃的温度范围，且支持低功耗模式，最高工作频率可达到72 MHz。该芯片具备模数转换功能，可以直接读取土壤湿度传感器输出的模拟量数据，同时芯片的USART接口可以直接与WiFi模块连接。

2.2 WiFi传输模块

WiFi模块采用USR-C322芯片，它是济南有人物联网推出的一款C32系列高性能WiFi模块。该模块基于ARM Cortex-M4内核，运行频率为80 MHz，支持WiFi @2.4 GHz 802.11 b/g/n无线标准。本系统中设置模块组网方式为STA模式。通过AT指令，能够对USR-C322进行工作模式、网络端口、传输协议等方面的配置。模块由3.3 V电源供电，UART引脚连接STM32单片机，外围电路主要包括供电电路、按键重启电路、按键复位电路和LED工作指示灯电路。

2.3 按键模块

按键模块设置有启动按键、模式设置按键和增减按键，其中模式设置按键可以选择设定土壤湿度阈值模式，按键按下一次设定上限值，按键连续按下两次设定下限值，增减按键可以分别对设定值进行增1或减1的设置。当传感器检测到土壤湿度小于下限值时，单片机控制继电器，驱动电磁阀动作，实现自动浇灌，当土壤湿度大于上限值则停止浇灌。

2.4 传感器电源控制模块

STM32单片机通过传感器电源控制模块实现对传感器组电源供电时间的控制，如图2所示，电路由三极管2N3904、MOS管AO3401、分压电阻、二极管等部分组成。VIN为太阳能模块输出电压，VCC连接传感器电源引脚，单片机引脚PD12经限流电阻连接2N3904的基极，VIN连接AO3401的源极。当单片机引脚输出高电平时，三极管Q2导通，AO3401的栅极相当于接地，此时MOS管导通，将电压VIN连接到VCC端，向传感器组供电。根据四季气候和植物种类不同，单片机可以调整传感器组模块供电时间，改变传感器数据采集频率，从而控制浇灌频率。

图2 传感器电源控制模块

3 系统软件设计

软件程序设计主要包括单片机程序设计、云平台设计和手机APP设计。单片机程序需要实现两个功能：一是定时开启传感器电源，采集传感器数据并完成数据解析，判断是否需要浇水，从而控制继电器动作驱动电磁阀进行自动浇灌的主流程功能；二是通过WiFi模块与云平台进行数据交互的功能。系统主流程如图3所示。

图3 系统主流程

传感器数据通过WiFi模块上传到云平台，云平台设计主要实现接收数据、数据校验过滤和数据分析存储的功能。目前市场上有很多物联网平台可供使用，例如阿里云平台、中国移动OneNET 物联网开放平台等。系统选用阿里云平台建立数据中心。手机APP采用Android Studio平台开发，包括APP程序设计和APP界面设计。APP发送控制指令到云平台，再通过WiFi模块发送指令到微控制器，在APP界面可以看到指令发送成功或失败的结果反馈，也可以显示当前传感器的数据。

4 结 语

本文设计了一种室内盆栽智能浇灌系统。该系统采用太阳能供电，低碳环保；并且根据四季气候和植物种类不同，可以调整浇灌频率。用户通过手机APP可以随时随地对植物盆栽进行监测和远程控制浇灌，即使出门在外也可以享受浇花乐趣。系统目前设计适用于家庭室内盆栽的智能管理，亦可用于农业和园林业，例如大棚农作物的智能浇灌、温室景观植物的智能浇灌等，能适应多种模式的应用场景，具备一定的拓展性，发展前景良好。