基于單片機的智能花盆系統設計

宋潔+王雪

摘 要：隨著社會的不斷進步，智能化設備逐漸進入到人們的生活中，智能花盆也開始在大眾生活中流行起來。智能花卉種植系統是一種小型種植管理系統，通過土壤溫度、土壤濕度和空氣濕度等傳感器采集相關數據并獲取植物生長環境上傳至移動端，用戶通過移動設備可掌握一切有關植物生長的信息，并通過無線GPRS發送短信提醒用戶對植物做相應的呵護，從而更好地照顧植物健康生長。

關鍵詞：單片機；智能花盆；無線；GPRS

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-03

0 引 言

隨著人們生活質量逐步提高，越來越多的人對花卉表現出極大的興趣，在家里或公司養盆植物不僅可以陶冶情操，清新空氣，同時植物在白天可以通過光合作用吸收空氣中的二氧化碳，凈化空氣。在有植物的地方空氣會變得格外清新，尤其現階段冬季霧霾嚴重，許多花木可以吸收空氣中的有害氣體，盡量減少霧霾對人體的傷害。所以在辦公室或家中養盆植物被許多人喜愛，但上班族們工作壓力大且沒有時間照顧這些花花草草，于是智能花盆系統應運而生。國外的智能家用市場已做的非常強大，鑒于中國在全球制造鏈中的重要地位，中國已成為全球各大生產智能家居設備廠商逐鹿的大戰場，同時，也帶動了我國對智能家居設備的重視，使家居設備的研發和測試技術都有了非常迅速的發展。雖然我國自動澆水器的項目已經存在，但普遍采用普通的澆水器械，智能澆水的產品比較少。目前市場上有很多不同的自動澆花器，但僅擁有定時或定量功能的智能花盆還不夠完善，澆水方式仍采用傳統的雨幕式，不僅無法充分利用水資源，還常會造成植物附近大面積積水，容易造成植物凋零或死亡，未根據植物的生長狀態來實現對植物的合理灌溉[1]。針對這些問題，我們設計了智能花卉種植系統，該系統通過溫濕度等傳感器對環境進行檢測，并能根據光照強度或土壤溫濕度等檢測結果向用戶的移動設備發送短信，對植物進行自動澆水等操作。此花盆操作十分簡單，大大提高了用戶的工作效率。智能家居在人們的生活中得到了越來越多的認可和贊同，該智能花盆也基于此理念，所以其發展前景十分廣闊。

1 系統總體設計

該智能花盆由傳感器數據采集部分、數據處理部分、GPRS模塊接受傳送部分和手機App組成，其系統總體結構如圖1所示。

由溫濕度等傳感器對土壤和光照強度等環境數據收集至采集卡，然后傳輸到中央處理器CPU， CPU可將數據傳送到GPRS模塊， 此模塊將具體的數據傳送到數據庫，以實現對數據的分類和處理，便于手機App對數據進行查詢。手機App向GPRS模塊發送控制命令，把控制命令發送給中央處理器CPU對水泵進行控制，實現對植物的自動澆水等具體功能。同時，鑒于用戶工作時間緊張，無法一直查看植物的生長環境和狀態，因此，該系統還可針對植物的生長環境狀況，適時在手機App上對用戶進行提醒。這些功能的最終實現，將會充分滿足用戶對智能花盆的需求，實現花盆真正的智能化和現代化，讓科技真正走進人們的生活，提高用戶的生活質量，讓用戶在緊張的工作中得到放松。

2 硬件設計

2.1 電源模塊

本智能花卉種植系統最主要的能量來源是電源模塊，為了讓整個系統穩定運行，本設計采用+5 V直流電源為單片機等設備供電，因為該系統主要在辦公室或者家中使用，可采用USB或手機充電器充電，供電電壓大多為+5 V。采用USB手機充電器充電的好處在于其通用性和實用性強[2]，使用簡單快捷，方便用戶利用文中設計的智能花盆呵護自己的植物健康生長。

2.2 單片機模塊

單片機是本智能花盆系統的核心部分，設計采用了一款高性能、低功耗，型號為STC89C52RC的新一代8051單片機。8051單片機具有抗干擾能力強、可靠性高、容易上手等諸多優點，同時，8051還具有尋址范圍大，運算能力強等特點。它具有8 KB程序Flash存儲器，512 B RAM，通用I/O口36個，看門狗定時器及外部掉電檢測電路等[3-5]。此款8051單片機充分滿足了本智能花盆系統對單片機的各種需求。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括土壤溫濕度傳感器和空氣濕度傳感器，實現對溫濕度的采集。溫度傳感器選擇使用DS18B20，通過編程，DS18B20可實現9～12位的溫度讀數。信息經單線接口送入DS18B20，從DS18B20送出，因此，從單片機到DS18B20僅需連接一條信號線和地線即可[6]。空氣溫度傳感器使用HS1101，這是一款電容式相對濕度傳感器，此傳感器可廣泛應用于辦公室、家庭或汽車駕駛室等，實現對空氣濕度的檢測[7]。另外，利用光敏電阻采集光照強度模擬電壓，光敏電阻采用半導體材料制作、利用內光電效應工作的光電原件。在受光線影響時，其阻值會逐漸變小，這種變化被稱為光導效應，因此，光敏電阻又名光導管。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓時，其中便會有電流通過，當適當波長的光線照射過來時，電流就會隨著光強的增加而逐漸變大。利用光敏電阻將光信號轉換成電信號，由相應的儀器對轉換后的信號進行處理，以達到自動控制等功能[8]。此外，采集卡用于將采集到的光照強度和土壤濕度的模擬量轉化為數字量并發送給處理器。

2.4 GPRS模塊

因為GPRS用戶依附在網絡上，所以只要用戶手機處于開機狀態，便可隨時與GPRS網絡聯系，用戶發出請求后，便可進行數據通信，使用簡單快捷。傳統的電路交換技術在通信時，無論有無數據傳送都要獨自占用信道，而GPRS的“分組”技術克服了傳統電路交換技術的缺點，只有在數據通信時才會占用信道資源，實現了一個用戶共享多個信道，也可以多個用戶共享一個信道的目標，提高了信道利用率，適用于數據傳輸[9]。幫助此系統實現真正的無線傳輸，可讓用戶工作之余感受到其中的樂趣。

3 軟件設計endprint

3.1 個人數據模塊

個人數據模塊如圖2所示，主要包括登錄用戶個人信息的顯示，如用戶名、年齡和電話等信息，方便用戶進行短信發送等功能的實現。同時，數據是一種個人資產[10]，現在市場上有部分軟件對用戶的個人信息進行違法販賣，而本智能花盆系統在絕對保證用戶隱私的前提下對用戶的個人信息進行合法使用。

3.2 折線圖模塊

對硬件設備采集的數據進行處理后，描點繪圖，以折線圖的形式展現出整個數據的變化趨勢。折線統計圖是用一定的長度表示一定的數量，根據數值大小描出各點，然后把各點用直線依次連接起來。折線統計圖不僅可以表示數值大小，還能夠清晰表示數量增減變化的趨勢。因此，折線圖可以顯示在相等時間間隔下數據的變化趨勢[11]。對于采集的每一項數據——空氣溫度，土壤濕度，土壤溫度，光照強度等都能展現其變化趨勢，方便用戶更加具體、直觀地觀察，提早做好相應的保護措施。

折線圖模塊如圖3所示。

3.3 控制模塊

控制模塊如圖4所示。通過硬件的GPRS模塊接收短信，在GPRS模塊中采用分組通信技術，用戶在數據通信時并不會固定占用無線信道，所以能夠更加合理地利用信道資源。同時，還可以實現短信傳輸、數據透明傳輸和語音等功能。當用戶點擊“澆水”后，后臺會發送指定的口令短信到水泵，水泵自動澆水15 s。用戶不論身處何地，都可以方便快捷地控制自己的智能花盆，不受距離和時間的限制，實現對植物的實時照顧。

3.4 數據顯示模塊

每次打開App都會顯示最新采集的數據，用戶可以在此模塊看到實時數據與植物的健康狀態。同時，用戶也可以實現對最新數據的查詢，服務器端接受查詢命令后，從數據庫查詢到準確數據，并將數據返回客戶端，向用戶展示更加直觀的數據。實時數據較好地消除了未來時點數據對過去時點信息的干擾，具有即時性和不包含噪音信息等優點[12]。

數據顯示模塊如圖5所示。

4 結 語

該智能花卉種植系統通過傳感器采集數據，由單片機控制運行，可通過手機App查看數據。智能花盆可對植物的生長狀況以及周圍的生長環境進行探測、感知并收集數據，同時還能自動澆水，使家庭種植更加科學和智能，減少因用戶疏忽或失誤導致作物凋零或死亡的幾率。智能花盆的設計給人們緊張的生活帶來了樂趣，符合現代生活的智能化趨勢，具有一定的應用和參考價值。

參考文獻

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