基于云平台的智能养花系统设计与实现

2023-03-06白玉立刘建粉

物联网技术 2023年2期

白玉立，刘建粉

（平顶山学院信息工程学院，河南平顶山 467000）

0 引言

随着科技的发展，许多城乡居民为了美化环境，净化空气，喜欢在家中阳台种植花草。植物的生长需要一定的环境，土壤湿度、外界光照、温度等都会影响植物的健康生长。若人们因为长时间出差不在家，植物会因为缺少照护而枯萎死亡。缺水、光照强、温度高等一系列环境的变化也会影响植物的正常生长，带来经济损失和精神上的不愉悦。

大多数自动浇花系统利用虹吸原理，即利用渗透方式浇花，这种浇花方式的过程是连续的、不间断的，采用这种方式只能保证花不会干旱而死[1]。一些自动浇水系统可以设定浇灌时间，但却无法确定花卉是否需要浇水。基于此，本文设计了实时监测植物生长环境的改变，并及时作出相应调整，以保证植物处于最佳生长环境的智能养花系统。

1 智能养花系统总体设计

该系统根据功能不同设计了数据模块、花卉识别模块、云平台模块和显示模块。花卉识别模块用于分析花卉的品种，并给出科学的种植数据，鉴于此，数据模块可以进行花卉生长环境的调整。同时，将相应的数据通过云平台解析并传输到显示模块，使用者还可以通过显示模块反向调整花卉的生长环境。系统总体结构如图1所示。

图1 智能养花系统结构

2 智能养花系统的详细设计

智能养花系统主要包括数据模块、花卉识别模块、云平台模块和显示模块。智能养花系统功能模块如图2所示。

图2 智能养花系统功能模块

2.1 数据模块

数据模块分为环境数据采集和生长环境自动调整两部分。数据采集模块主要采用土壤湿度传感器、光敏传感器、温湿度传感器实时监测花卉生长环境，如果环境发生改变，不适合花卉的生长，系统会自动调整，使环境尽可能满足花卉植物的生长需求。

系统工作过程中，土壤湿度传感器插入花盆之中，大概一秒采集一次土壤湿度值，假如低于预定的阈值700，水泵会自启动，向花盆抽水。植物生长过程中，光线太过强烈也会产生不良影响。这时，光敏传感器会检测花卉的光照程度，假如阳光过于强烈，相应舵机启动，遮光板打开，避免花卉受到过多光线的刺激。温湿度传感器监测室内的温度和湿度。假如空气过于干燥，加湿器启动。有些植物对温度的要求较高，故系统加设了温控灯，室内温度一旦低于阈值，温控灯开启，保证植物处于最佳的生长环境[2]。

温室里的盆栽需要每天通风，尤其是中午时分气温较高时，流动的空气有助于植物的生长。系统配备的风扇模块每4 h进行一次10 min的通风，保证植物正常生长。数据模块的程序设计流程如图3所示。

图3 数据模块的程序设计流程

2.2 花卉识别模块

花卉识别模块主要借助百度云AI平台，通过对ESP32-CAM摄像头获取的视频流截取相应图像，在百度云平台创建API接口，编写相应API，实现图片选取和识别功能[3]。将图片上传至云服务器进行图片预处理。预处理是训练获得的花卉图片，构造需要的数据结构。之后利用TensorFlow实现CNN模型，通过两层卷积和池化处理，并使用梯度下降算法作为优化器，使用Softmax算法作为分类器，将Ordinary Least Squares作为优化器，构建相应的训练模型，之后再对模型进行训练，最终得到训练后的模型数据，并以文件形式存储至服务器。最后，利用TensorFlow的reduce_mean方法作为评估模型，对构建的花卉分类模型的准确性进行测试。在测试相应实验数据的准确度之后，构建测试模型[4]。

将测试完成的数据返还给开发板，在显示模块中可以清楚看到相应花卉的种类以及科学的养殖方案。使用者可以根据方案进行硬件模块阈值的设定。

2.3 云平台模块

2.3.1 云服务器

本系统采用云服务器分析整合和传输数据。建立云服务器后接收采集的数据[5]。建立接收处理程序，该接收处理程序可有多个形式，只需提供接收数据的连接即可，系统使用MQTT服务。之后将采集的数据连接到云服务器提供的接收处理程序，完成相应数据的上传。将采集的数据通过WiFi传输到服务器，数据传输协议视为接收处理程序。

之后在云服务器上存储采集的数据，本系统采用MySQL数据库存储相应数据。最后在终端显示相应数据，并通过安卓端显示环境数据值。

2.3.2 数据通信

数据通信采用ESP8266模块，ESP8266是一款UART转WiFi SOC，是完整且自成体系的WiFi网络解决方案，支持透传，传输数据准确率较高。在系统运作过程中，主控板会将各传感器采集的数据整合，并通过该模块传输至云服务器[6]。数据在安卓端显示，同时安卓端也可以通过该模块反向控制开发板进行相应调整。ESP8266数据流程如图4所示。