智能多肉植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

潘澤鋒+徐玉菁+葉桂成+吳煜慶+仲成前

摘要：如今白領(lǐng)一族為了緩解壓力會(huì)在辦公室，家庭中放置多肉盆栽，但是工作繁忙不能經(jīng)常打理，盆栽會(huì)長(zhǎng)勢(shì)不良甚至枯萎死亡。為了避免盆栽的死亡，文章提出一種智能多肉植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，以MSP430單片機(jī)為核心，檢測(cè)和植物生長(zhǎng)的溫濕度、光照和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)。根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)值對(duì)比，判斷缺少或者飽和來(lái)傳遞給430單片機(jī)以此控制自動(dòng)實(shí)現(xiàn)澆水、補(bǔ)光和通風(fēng)等功能。

關(guān)鍵詞：MSP430；單片機(jī)；植物養(yǎng)護(hù)；光感模塊；DHT11

現(xiàn)如今多肉植物以其多樣的顏色和小巧的外觀(guān)，越來(lái)越受到消費(fèi)者的歡迎。然而往往人們不能準(zhǔn)確地根據(jù)土壤實(shí)際濕度來(lái)進(jìn)行澆灌和補(bǔ)光。而且隨著現(xiàn)代人生節(jié)奏加快，忙于工作應(yīng)酬，打理盆栽的時(shí)間會(huì)相應(yīng)的減少。很有可能造成植物長(zhǎng)勢(shì)不良，甚至死亡。因此設(shè)計(jì)一種智能型的花盆，是十分必要的。該花盆能夠通過(guò)各類(lèi)傳感器對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、土壤干濕度等參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。并將檢測(cè)到的溫度、濕度、干濕度等值在OLED上進(jìn)行顯示。實(shí)現(xiàn)在光照較弱的時(shí)候能自動(dòng)開(kāi)啟補(bǔ)光燈，土壤含水量過(guò)低自動(dòng)補(bǔ)水等功能。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該裝置由花盆、水槽、補(bǔ)水模塊、控制器、土壤濕度傳感器和光照傳感器等組成。基本框架如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心，通過(guò)傳感器將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳送給MSP430。其進(jìn)行處理后分別將數(shù)據(jù)傳送到OLED上進(jìn)行顯示，并通過(guò)與設(shè)定閾值比較并控制補(bǔ)光燈、水閥、蜂鳴器等工作，達(dá)到調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境的目的。

2硬件

傳感器：由于檢測(cè)的對(duì)象不一樣，所以需要用到不同類(lèi)型的傳感器模塊，比如光敏傳感器模塊和DHT11等。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專(zhuān)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和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11的供電電壓為3～5.5V。傳感器上電后，要等待1 s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。DHT11的典型運(yùn)用電路如圖1所示。

本系統(tǒng)采用了模擬數(shù)字一體光敏傳感器模塊。該模塊包括電源電路、光敏傳感器電路、比較電路和輸入輸出電路，采用3.3～5.0 V電源供電，分別給光敏傳感器電路、比較電路供電，光敏傳感器電路的輸出端連接雙運(yùn)算放大器的輸入端，雙運(yùn)算放大器輸出端與輸出電路的輸入端連接。輸出數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)，準(zhǔn)確度高、反應(yīng)速度快、功耗低、使用成本低。

電源：本系統(tǒng)需要工作在于穩(wěn)定可靠的直流電源。考慮到運(yùn)用于普通家庭，為了便于供電所以本系統(tǒng)采用USB或者手機(jī)充電器供電更為方便，且供電電壓5 V。采用上述方式供電的優(yōu)點(diǎn)是共用性強(qiáng)，電源穩(wěn)定。

單片機(jī)：?jiǎn)纹瑱C(jī)采用了TI公司的MsP430F5529LaunchPad，MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor，MSP）。MSP430F5529LaunchPad基于閃存的產(chǎn)品系列，具有超低工作功耗。其功能齊全，引腳較多，具有在線(xiàn)調(diào)試功能。而且可以直接采用5V供電，能與電源良好匹配。

3軟件實(shí)現(xiàn)

通過(guò)MSP430的ADC12寄存器采集外部數(shù)據(jù)。需要對(duì)系統(tǒng)用到的GPIO口的功能進(jìn)行設(shè)置，P6.0-6.6設(shè)置為模擬輸入，用于采集濕度傳感器，光敏傳感器，空氣溫濕度傳感器等的模擬電壓值。

對(duì)ADC模塊進(jìn)行初始化，其中包括ADC時(shí)鐘使能，時(shí)鐘分頻因子設(shè)置，ADC的工作時(shí)鐘頻率設(shè)置，并設(shè)置工作模式為序列通道多次轉(zhuǎn)換工作模式等。

在主程序中，液晶實(shí)時(shí)地顯示ADC的轉(zhuǎn)換數(shù)值，并將轉(zhuǎn)換值與用戶(hù)設(shè)定值的進(jìn)行對(duì)比，如果檢測(cè)值小于用戶(hù)設(shè)定的濕度限值，430通過(guò)GPIO驅(qū)動(dòng)水泵，對(duì)花盆中的植物進(jìn)行澆灌。當(dāng)?shù)竭_(dá)最大閾值則停止水泵。

4 DHT11的驅(qū)動(dòng)

DHT11的數(shù)據(jù)口用于與微處理器之間的通訊和同步，采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先。出數(shù)據(jù)格式：8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)

+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)

+8bit校驗(yàn)

總線(xiàn)空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線(xiàn)拉低等待DHT11響應(yīng)，主機(jī)把總線(xiàn)拉低必須大于18 ms，保證EDHT11能檢測(cè)到起始信號(hào)。DHT11接收到主機(jī)的開(kāi)始信號(hào)后，等待主機(jī)開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)送80μs低電平響應(yīng)信號(hào)主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，延時(shí)等待20～40μs后，讀取DHT11的響應(yīng)信號(hào)，主機(jī)發(fā)送開(kāi)始信號(hào)后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線(xiàn)由上拉電阻拉高。

所以需要用到單片機(jī)輸出時(shí)序來(lái)驅(qū)動(dòng)DHT11模塊。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出的多肉植物智能種植系統(tǒng)，通過(guò)單片機(jī)的監(jiān)測(cè)和控制能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)植物種植環(huán)境的溫濕度、植物土壤濕度及光照條件，并根據(jù)環(huán)境變量來(lái)控制水泵、補(bǔ)光燈等終端設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)控制澆水和補(bǔ)光等功能。此系統(tǒng)可用于多肉養(yǎng)護(hù)，該系統(tǒng)運(yùn)用了比較廉價(jià)的單片機(jī)和傳感器模塊，易于實(shí)現(xiàn)且低功耗，系統(tǒng)與用戶(hù)通過(guò)OLED交互，易于用戶(hù)了解盆栽生長(zhǎng)環(huán)境，并對(duì)其加以適當(dāng)干預(yù)。由于市面上還未有此功能的系統(tǒng)，因此具有一定的市場(chǎng)價(jià)值。