一種交互式的物聯(lián)網(wǎng)智能花盆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘敏開(kāi)+黃業(yè)盛+何俊蜓+劉晉勝

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益發(fā)展，智能設(shè)備漸漸走進(jìn)每一個(gè)大小家庭中，自動(dòng)化同時(shí)也成了當(dāng)代的一個(gè)代名詞，智能花盆的免人工培植正迎合了這一大主題。通過(guò)溫濕度、光照等傳感器獲取當(dāng)前植株生長(zhǎng)環(huán)境狀況并獲取圖像數(shù)據(jù)上傳至移動(dòng)端，具有良好的交互功能。主控采用STM32，通過(guò)WiFi與Web服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)能夠?yàn)橹悄芑ㄅ璧脑O(shè)計(jì)提供參考，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性及參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 交互功能 Web服務(wù)器 社交圈

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（b）-0004-03

智能花盆是當(dāng)今世界家居和辦公室種植植株的新寵，是根據(jù)土壤、溫濕度、光照等變化按需供給的一套現(xiàn)代化種植系統(tǒng)。能改善家居和辦公環(huán)境，取得種植植株的樂(lè)趣。在技術(shù)范疇來(lái)講，智能花盆是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)計(jì)數(shù)分支，它根據(jù)土壤的含水量，養(yǎng)分和作物生長(zhǎng)狀況的空間差異，調(diào)節(jié)對(duì)植株的投入。顯然，智能花盆不但可以最大限度提高植株的存活率，而且是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、低耗和環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，能優(yōu)化家居環(huán)境。

而在國(guó)外，智能花盆的研究探索也從未停止，美國(guó)市場(chǎng)出現(xiàn)了一種叫“WaterLink”的產(chǎn)品，通過(guò)濕度傳感器來(lái)采集土壤的含水量數(shù)據(jù)，通過(guò)WCDMA網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)智能手機(jī)的客戶(hù)端了解當(dāng)前植物土壤含水量。

該系統(tǒng)為根據(jù)植株生長(zhǎng)狀況調(diào)節(jié)對(duì)植株的投入，改善家居環(huán)境，建立以智能花盆為基礎(chǔ)的帶交互式的系統(tǒng)，劃分為3個(gè)層次，分別為硬件層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。硬件層的主要職能是采集現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)和接收反饋控制。同時(shí)底層系統(tǒng)配置攝像頭獲取植株圖像信息供上層應(yīng)用來(lái)調(diào)用。網(wǎng)絡(luò)的主要職能是對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲谥悄芑ㄅ柘到y(tǒng)中，主要利用的是HTTP1.1協(xié)議，利用底層WiFi模塊對(duì)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。HTTP1.1負(fù)責(zé)組織html向客戶(hù)提供遠(yuǎn)程訪問(wèn)。應(yīng)用層的主要職能是通過(guò)Android應(yīng)用程序界面和Web服務(wù)器展示應(yīng)用，向用戶(hù)提供良好的操作界面。利用這一套系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)植株免人工栽培的同時(shí)，基于Android上層應(yīng)用建立以智能花盆為核心的社交圈。用戶(hù)通過(guò)app應(yīng)用觀察自身植株的同時(shí)，更可觀察好友植株的生長(zhǎng)狀況，并可參與到植株的培養(yǎng)中來(lái)。同時(shí)系統(tǒng)帶有聊天界面和社交功能，不單提供交流的渠道，還能幫植株發(fā)個(gè)“心情”。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 智能花盆的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 土壤濕度檢測(cè)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中的土壤濕度檢測(cè)如圖2所示。

系統(tǒng)中配置兩根探針插入土壤中，由于兩探針間的泥土在不同的濕度下會(huì)有不同的阻值，土壤電阻與電路中的C19構(gòu)成了RC回路，又與NE555構(gòu)成了完整的振蕩電路，同時(shí)，由于NE555的輸出信號(hào)是數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于將RC振蕩的波形整形為脈沖信號(hào)，方便與數(shù)字控制系統(tǒng)連接以測(cè)量電路振蕩頻率，達(dá)到測(cè)量濕度的目的。

1.3 LED控制以及光強(qiáng)檢測(cè)設(shè)計(jì)

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，植物光合作用需要的光線，波長(zhǎng)在400～720 nm左右。440～480 nm（藍(lán)色）的光線以及640～680 nm（紅色）的光線對(duì)于光合作用貢獻(xiàn)最大。520～610 nm（綠色）的光線，被植物色素吸收的比率很低。

按照以上原理，系統(tǒng)采用的補(bǔ)光燈波長(zhǎng)為450～460 nm，為藍(lán)光1W2兩個(gè)，白光1 W一個(gè)。

而在光檢測(cè)的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用了PT550系列的光敏電阻。PT550對(duì)比傳統(tǒng)的CDS光敏電阻有如下優(yōu)點(diǎn)：不含鎘、鉛等有害物質(zhì)，符合歐盟ROHS標(biāo)準(zhǔn)，適用于各類(lèi)光照照明產(chǎn)品：如小夜燈，草坪燈等，而且靜態(tài)電流小，響應(yīng)速度快，性能穩(wěn)定。測(cè)量范圍為400～1 100 nm。

LED控制以及光強(qiáng)檢測(cè)電路設(shè)如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

智能花盆底層主要的工作是對(duì)植株生長(zhǎng)環(huán)境的檢測(cè)以及植株生長(zhǎng)狀況的拍攝，硬件系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間通過(guò)WiFi往服務(wù)器發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)包。同時(shí)系統(tǒng)處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)， 監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器發(fā)來(lái)的指令，根據(jù)指令完成相關(guān)的任務(wù)。硬件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

2.2 應(yīng)用層的設(shè)計(jì)

應(yīng)用層APP分為3個(gè)部分：環(huán)境信息的獲取顯示，花盆硬件設(shè)備的操作，社交平臺(tái)交互。環(huán)境信息的獲取：APP定時(shí)向服務(wù)器發(fā)送更新數(shù)據(jù)請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。硬件設(shè)備的操作：用戶(hù)可根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境狀況，結(jié)合植物的最佳生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行環(huán)境的調(diào)節(jié)。社交平臺(tái)交戶(hù)：系統(tǒng)模擬真實(shí)版QQ農(nóng)場(chǎng)，用戶(hù)間可相互查看植株生長(zhǎng)狀況以及幫助其他用戶(hù)進(jìn)行植株輔助栽培。應(yīng)用層系統(tǒng)框架如圖5所示。

2.3 Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)

為了解決客戶(hù)端兼容性問(wèn)題，智能花盆系統(tǒng)采用B/S的體系架構(gòu)，智能花盆web服務(wù)器由兩個(gè)類(lèi)組成，包括webserver和webserverhandler，這兩個(gè)類(lèi)是由Thread類(lèi)派生而來(lái)，啟動(dòng)webserver（）方法創(chuàng)建監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器，調(diào)用accept（）方法等待客戶(hù)的HTTP請(qǐng)求連接，在有客戶(hù)端連接時(shí)，webserver類(lèi)產(chǎn)生一個(gè)webserverhandle來(lái)處理請(qǐng)求。系統(tǒng)框圖如圖6所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)的硬件模塊設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，并對(duì)系統(tǒng)各模塊功能及整體功能進(jìn)行調(diào)試及性能測(cè)試。重點(diǎn)測(cè)試自動(dòng)澆水控制性能，系統(tǒng)相應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果如下。

（1）土壤檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到土壤濕度不夠時(shí)，水泵馬上開(kāi)始工作，直到土壤檢測(cè)濕度為正常。當(dāng)水位低于指定值時(shí)，呼吸燈變紅提示。整個(gè)測(cè)試經(jīng)歷2天，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，土壤能維持一定的濕度。

（2）由于系統(tǒng)大量模塊化，響應(yīng)的時(shí)間大大影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。在單機(jī)的花盆測(cè)試中，由于系統(tǒng)是1 s間隔執(zhí)行一次對(duì)環(huán)境的檢測(cè)以及調(diào)整，所以單機(jī)的自動(dòng)調(diào)劑響應(yīng)時(shí)間是有一定的保證。重點(diǎn)在于硬件系統(tǒng)與服務(wù)器連接的響應(yīng)時(shí)間上，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)手機(jī)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)訪問(wèn)智能花盆服務(wù)器用時(shí)小于1 s，而手機(jī)通過(guò)移動(dòng)IP網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，時(shí)間大概在5～8 s。由于種植對(duì)數(shù)據(jù)同步不需要十分精確。所以系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果是可以接受的。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的測(cè)試，智能花盆系統(tǒng)無(wú)論從功能上還是性能上，都滿(mǎn)足既定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用。

4 結(jié)語(yǔ)

智能花盆是當(dāng)前家居家電的新寵，目前該產(chǎn)品處于起步階段，產(chǎn)品的性能、功能和應(yīng)用模式都處于探索階段，已有產(chǎn)品的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度不夠。該設(shè)計(jì)思維著重于對(duì)植株生長(zhǎng)條件的研究以及基于花盆所搭建的社交平臺(tái)，不僅符合當(dāng)今現(xiàn)代化的自動(dòng)化趨勢(shì)，還能增強(qiáng)培植的樂(lè)趣，具有一定的應(yīng)用價(jià)值和參考價(jià)值。

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