智能家庭植株养护系统

布乃波，张成文，宋晓薇，王 轩，陈 星，孙轶男

（哈尔滨理工大学 荣成学院，山东 威海 264316）

0 引 言

生活中，养护植物常常被人们作为一种生活消遣的方式，不仅能愉悦心情，还能净化空气。但人们经常因为工作和生活繁忙而疏于对植物的照料，或养护方法不正确导致植物枯萎[1]。传统的植物养护装置使用限制大、智能程度低，需要人们花费更多的时间精力。为此，本文考虑设计一种智能系统来提高家养植物的成活率。通过HC05 蓝牙串口模块与手机APP 结合，达到解放人力的目的。

1 研究目的

家养植物有许多优点：美观、净化空气、缓解人们的精神压力。但家养植物种类繁多，每一种植物都有自己的生长习性，因此需要养花人精心照料去提供适宜生长的不同条件。为此人们常常会自己动手制作一些简易的装置，但作用有限，仍然需要花费大量的时间来照料植物。目前，市面上也出现了一些辅助装置，但是因为其较为简单，不能根据天气等因素的变化对植物养护环境进行实时调控，不能完全满足植物的生长需求。因此，亟需一款更加智能化的植物养护装置辅助养护人去照料植物。

智能家庭植株养护装置因具有使用方便、测量精准、适用范围广的特点，可辅助养护人对植物所需的各项条件进行精准把控，以及在人员缺失的条件下自主完成对植物的养护。

智能家养植株养护系统是将温湿度检测、光强度检测、蓝牙通信等多种技术融为一体的设计，具有使用方便、测量精准、适用范围广等特点。该系统还可以作为高校教学的实践案例，学生在掌握课上知识的基础上加以拓建，了解并学习各部分元器件的适用范围及使用方法，通过创新性的方法将各器件进行组合，充分锻炼学生的创新能力和实践能力，这对于培养新工科背景下的人才具有重要作用[2]。

2 传统装置分析

2.1 非智能化装置

在家庭植物养护过程中，一些颇具动手能力的人亲自动手制作了一些材料获取方便、制作简单的小型种植辅助装置，如图1 所示，这是目前市面上最常见、使用最广泛的装置。但是这种装置的局限性也很明显，仅适用于需水量较大的植物，且盛水容器容量不能太大或太深，太大则植株有可能受淹，过深则植株根部有可能汲取不到水分；而且如果长时间将根部浸泡在水中，对于需水量不是很大的植物，非常容易造成烂根的问题。

图1 非智能化装置

2.2 WiFi 控制水泵

图2 所示的装置设计了WiFi 模块，用户可以自行控制何时需要对植物进行浇水处理，同时用户不必靠近水源便可以对植株进行浇水。但此项装置的缺点也很明显：一是水源与220 V 家用电压直接连接，非常容易造成短路，有着一定的安全风险；二是用户需要亲自观察植物，然后自行决定是否进行浇水；三是功能单一。

图2 WiFi 控制水泵

2.3 定时浇水器

目前市面上还有一种应用于户外的定时浇水装置，如图3所示，通过装置的表盘我们能够很清楚地了解使用方法，它的缺点是无法根据实时的环境状况来调节预先设置的变量。

图3 定时浇水器

3 总体设计

本系统以STM32F103ZET6 单片机为核心，通过电源接口来使整个驱动电路正常工作[3]，通过HC05 蓝牙串口模块连接手机APP，使用DHT11 数字温湿度传感器和光敏传感器实时采集所在环境的温湿度和光照，利用风扇、雾化驱动板和LED 灯来实时调节，并将设定值和实际值的数据显示在LCD显示屏上。通过手机APP 页面的按键可以设定温湿度和光照值，还可以通过网页搜索培养方案。系统主要器件如图4 所示。

图4 主要器件

用户通过按键设置光照与温湿度的值，与传感器检测到的信息一并传递给单片机主控电路进行数据处理[4]。用户可以提前为所需要照料的植株设置最适宜生长的环境条件；当各项条件设定完成之后，单片机开始借由温湿度检测模块、光照感应模块等采集到的信息，自动与用户自行设定的信息进行对比。当湿度过低时，会自动控制水泵向植株补充水分；当湿度过高时，会自动控制通风装置，加大空气流动以便水分快速蒸发。当日照强度减弱或低于用户所设置的参数时，芯片会自行控制补光器对植株进行补光。在装置工作期间，传感器采集到的所有信息都会在屏幕上实时显示，以便用户自行决定是否要对具体的各项参数进行更改。

4 主要模块功能

4.1 STM32 单片机

STM32F103ZET6 是一款基于ARM Cortex-M3 内核的高性能、低成本的微控制器。它的主要特点包括32 位的闪存存储器、低功耗和低电压操作，以及实时功能的高性能集成。STM32 单片机硬件资源极为丰富，拥有2 个串口、多个IO口用以扩展[5]。

4.2 DHT11 温湿度传感器

DHT11 数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，包括能与高性能8 位单片机相连的1个电阻式感湿元件和1 个NTC 测温元件。采用了专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，能够确保其具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。该传感器具有成本低、性能稳定、响应超快、抗干扰能力强、数字信号输出、精确校准等优点[6-8]。

4.3 蓝牙HC05

蓝牙HC05 模块具有灵敏、易于开发且性价比高等优点，与单片机接口简单，体积小，指令简洁，且仅有6 个管脚，管脚间距为2.54 mm，焊接方便[9]。

4.4 LCD 触摸液晶屏

模块使用高分辨率雾面A 规TFT 屏，分辨率为480*320，视角广，显示细腻，不刺眼；使用钢化玻璃电阻式触摸屏，不易损坏，抗干扰能力强。通过2*17 排针同外部连接，采用MUC 接口的16 位80 并口驱动方式[10]、SPI触摸屏接口、集成触摸芯片，能够很好地满足本设计需求。手机APP 及显示屏展示如图5 所示。

图5 手机APP 及显示屏展示

5 结 语

经过测试发现，本文设计的系统能够完成光强和温湿度参数的测量和调整，蓝牙模块正常工作，可以直接通过手机APP 设定。本设计综合运用传感器信号处理、自动控制、物联网等技术，通过单片机将温湿度传感器、光线传感器、蓝牙控制等有机结合起来，根据用户提前设定的要求，装置可以自动完成对植株的养护。本设计具有一定的实用性，能适应多种模式的应用场景，具备可拓展性，发展前景良好。