基于云服務(wù)的智能花盆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張立良+寧祎+劉磊

摘 要：為了滿足遠(yuǎn)程看管植物的需求，文中設(shè)計(jì)了基于云服務(wù)的智能花盆系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32主控單元、溫濕度檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、土壤濕度檢測(cè)模塊、澆水控制單元、WiFi通信模塊以及移動(dòng)端應(yīng)用程序組成。文中詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，軟件設(shè)計(jì)流程圖以及系統(tǒng)運(yùn)行工作流程。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，本系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)控制命令并準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù)信息，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：云服務(wù)；智能花盆；WiFi；STM32；傳感器

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）05-00-02

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活質(zhì)量日漸提高，越來越多的家庭開始注重健康舒適的生活空間。在家庭，工作或?qū)W習(xí)的環(huán)境中放置一些盆栽花卉既可以去除環(huán)境中的有害氣體凈化室內(nèi)空氣，還可以陶冶情操，使生活、工作和學(xué)習(xí)更加愉悅，但前提是我們每天有充裕的時(shí)間來照料植物。如果工作繁忙且經(jīng)常加班出差，就難免疏于對(duì)植物的管理。雖然目前市面上智能花盆種類繁多，但大多數(shù)功能單一，且受通信距離的限制無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程看護(hù)功能[1， 2]。因此本設(shè)計(jì)采用基于云服務(wù)的智能花盆可破除距離限制，只要移動(dòng)端能夠接入互聯(lián)網(wǎng)就可與智能硬件通信。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于云服務(wù)的智能花盆是基于物聯(lián)網(wǎng)概念的智能植物管家平臺(tái)。通過移動(dòng)客戶端接入云端與智能硬件相連實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的功能。其硬件平臺(tái)采用以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32高性能嵌入式處理芯片，通過采集植物所處土壤濕度，外界環(huán)境的溫度、濕度，外界光照強(qiáng)度等信息并實(shí)時(shí)上傳至移動(dòng)App客戶端，便于用戶實(shí)時(shí)掌握植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。移動(dòng)客戶端App不僅可以接收信息，還可以發(fā)送指令。用戶根據(jù)收到的信息遠(yuǎn)程控制澆水。此外，如果所處環(huán)境沒有網(wǎng)絡(luò)，可在智能硬件端設(shè)定土壤濕度最低閾值，達(dá)到澆水要求后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟澆水功能，無需擔(dān)心植物缺水。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析論證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了以STM32F103VB為核心的系統(tǒng)硬件電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。控制部分主要將各傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)信息上傳至MCU，并通過WiFi模塊將數(shù)據(jù)上傳至云端最終與移動(dòng)客戶端進(jìn)行通信，便于獲取數(shù)據(jù)或者控制操作。土壤濕度數(shù)據(jù)通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換得到，光強(qiáng)度信息采用I2C通信傳輸至單片機(jī)，溫濕度數(shù)據(jù)則采用串口通信傳輸。此外，本系統(tǒng)還有自動(dòng)管理功能，當(dāng)土壤濕度低于最低閾值時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。

2.1 核心控制單元

系統(tǒng)接入云服務(wù)或控制采集、發(fā)送各傳感器的數(shù)據(jù)均需要由高性能的MCU控制。一般8位及16位單片機(jī)難以滿足系統(tǒng)要求。因此采用系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz的STM32F103VB單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有高性能、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，采用ARM Cortex-M3處理器內(nèi)核，具有高達(dá)128 KB字節(jié)的Flash存儲(chǔ)器以及20 KB字節(jié)的SRAM，作為最新一代的嵌入式ARM處理器其具有卓越的運(yùn)算性能和先進(jìn)的中斷系統(tǒng)[3]。

2.2 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度模塊采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。此傳感器為數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕原件和一個(gè)NTC測(cè)溫原件，其內(nèi)部與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連。因此該模塊具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的溫濕度檢驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，并在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。此模塊濕度測(cè)量范圍為0～100%，溫度測(cè)量范圍為-40～125℃。其精度分別為±2%，±0.5℃[4，5]。

2.3 光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

BH1750是一種用于兩線式串行總線接口的16位高精度數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路，可收集光線強(qiáng)度進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。其分辨率高達(dá)1 lx，可探測(cè)的光強(qiáng)度變化范圍為1～65535lx。系統(tǒng)硬件MCU通過I2C接口與光強(qiáng)度檢測(cè)電路通信[6]。將采集到的光照數(shù)據(jù)分為強(qiáng)烈、柔和、昏暗、夜間四個(gè)等級(jí)，并上傳至移動(dòng)客戶端。移動(dòng)端根據(jù)收到的數(shù)據(jù)來顯示光強(qiáng)度等級(jí)。

2.4 土壤濕度檢測(cè)模塊

土壤濕度模塊可檢測(cè)當(dāng)前土壤濕度，以便確定是否需要澆水。此模塊的A0輸出可以直接得到土壤濕度的模擬信號(hào)[7]。經(jīng)MCU的A/D轉(zhuǎn)換得到具體的濕度數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)中直接采集濕度模擬信號(hào)并經(jīng)過標(biāo)定轉(zhuǎn)換最終在移動(dòng)終端顯示具體的土壤濕度值。由于土壤的儲(chǔ)水量大小取決于土壤基質(zhì)，對(duì)于不同基質(zhì)的土壤，其濕度評(píng)定方法也不相同。因此本設(shè)計(jì)土壤基質(zhì)采用有機(jī)土壤，以此為基準(zhǔn)標(biāo)定土壤濕度檢測(cè)模塊。

2.5 澆水控制模塊

本設(shè)計(jì)的智能花盆帶有儲(chǔ)水箱，儲(chǔ)水量可達(dá)1 000 mL。為了能夠方便自主澆水，設(shè)計(jì)有自主澆水系統(tǒng)，MCU根據(jù)移動(dòng)端接收的命令或者當(dāng)前土壤濕度自主決策是否澆水。花盆底部安裝有微型水泵，控制系統(tǒng)可以控制水泵執(zhí)行澆水操作。

2.6 通信模塊

為了能夠與主機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，本設(shè)計(jì)采用ESP8266 WiFi模塊連接路由器。該模塊內(nèi)嵌WiFi通信協(xié)議與組網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧，可以將硬件設(shè)備連接到無線網(wǎng)絡(luò)[8]。WiFi模塊的數(shù)據(jù)傳輸通過UART串口與主控芯片通信，兼顧近距離通信與基于云服務(wù)的遠(yuǎn)距離通信[9]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及硬件電路，采用C語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電后先對(duì)各模塊進(jìn)行初始化操作，然后進(jìn)入主程序檢查按鍵與串口是否有動(dòng)作。由于自動(dòng)上傳信息功能由定時(shí)器控制，因此先判斷定時(shí)器的時(shí)間是否滿足，如果滿足則處理、上傳數(shù)據(jù)；如果不滿足則檢測(cè)土壤濕度是否達(dá)到設(shè)定的最低閾值，若小于最低閾值則開啟自動(dòng)澆水，若不小于則進(jìn)行下一步判斷，是否收到客戶端控制命令。若收到命令則執(zhí)行相應(yīng)操作，未收到命令則返回下一次循環(huán)。

4 云服務(wù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能花盆系統(tǒng)云端設(shè)備采用機(jī)智云提供的云服務(wù)平臺(tái)。機(jī)智云為開發(fā)者提供了M2M接入、數(shù)據(jù)分析、OTA固件升級(jí)等基礎(chǔ)服務(wù)。其將智能硬件的軟件開發(fā)工具化、模塊化，并且在云端提供了一個(gè)開發(fā)者自助服務(wù)界面，把智能硬件的功能描述成數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過非常直觀的表單操作，讓開發(fā)者可以在云端自主定義一項(xiàng)產(chǎn)品功能，系統(tǒng)將自動(dòng)生成一系列開發(fā)的協(xié)議文檔、智能手機(jī)應(yīng)用的SDK、云端相關(guān)接口[10]。因此本設(shè)計(jì)在硬件設(shè)計(jì)完成后便可基于機(jī)智云平臺(tái)簡(jiǎn)便開發(fā)移動(dòng)智能硬件。機(jī)智云工作流程圖如圖3所示。

5 系統(tǒng)測(cè)試

基于云服務(wù)的智能花盆數(shù)據(jù)顯示和控制通過應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)硬件部分經(jīng)WiFi與云端連接后，就可以通過移動(dòng)設(shè)備App實(shí)時(shí)查看接收到的數(shù)據(jù)并發(fā)出控制命令。經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，在人為改變環(huán)境溫濕度的情況下，移動(dòng)端App都能實(shí)時(shí)顯示環(huán)境溫濕度變化。并在移動(dòng)端發(fā)出澆水命令后硬件端水泵系統(tǒng)同樣能夠快速反應(yīng)并正常工作。

圖4所示為測(cè)試應(yīng)用界面。圖5所示為系統(tǒng)實(shí)物。

6 結(jié) 語

該系統(tǒng)將目前市面上的同類智能花盆產(chǎn)品各功能優(yōu)化，并運(yùn)用云技術(shù)，將植物生長(zhǎng)信息實(shí)時(shí)傳入云端，無論用戶身居何處都能了解當(dāng)前植物的生長(zhǎng)信息。本設(shè)計(jì)功能豐富，且通過人性化設(shè)計(jì)可以帶給用戶良好的體驗(yàn)。此外，筆者認(rèn)為該系統(tǒng)擁有巨大的消費(fèi)群體，適用人群廣，消費(fèi)潛力大，市場(chǎng)前景光明。物聯(lián)網(wǎng)概念已走入千家萬戶，基于云服務(wù)的智能花盆硬件系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)可以在原硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，以此為基點(diǎn)，遠(yuǎn)程控制家中所有接入設(shè)備。在下一步設(shè)計(jì)中可以設(shè)計(jì)擴(kuò)展口，便于其他模塊通過此設(shè)備接入云端。該系統(tǒng)具有智能化、自動(dòng)化等特點(diǎn)，在智能家居領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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