基于ARDUINO的室內(nèi)盆栽智能澆灌檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

崔喬

摘要：本文介紹了一種基于ARDUINO的室內(nèi)盆栽智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用ARDUINO開(kāi)發(fā)板、溫濕度檢測(cè)模塊、WIFI模塊、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等常用單元，實(shí)現(xiàn)智能化土壤濕度檢測(cè)和自動(dòng)澆灌功能，有效解決了家庭或辦公室花卉澆灌不當(dāng)帶來(lái)的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：ARDUINO開(kāi)發(fā)板；數(shù)據(jù)采集；智能澆灌

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，與大自然接觸的時(shí)間越來(lái)越少，從而導(dǎo)致更多的人選擇將盆養(yǎng)植物融入日常生活進(jìn)行室內(nèi)養(yǎng)殖。研究表明，盆養(yǎng)花草的死亡，80%是由于澆灌不及時(shí)引起的，而市面上推出的多款盆栽自動(dòng)澆水系統(tǒng)，一般只適用于大型溫室機(jī)構(gòu)，并且價(jià)格昂貴，而關(guān)于家庭或辦公室的盆栽養(yǎng)殖澆灌系統(tǒng)，則鮮有推出。[1]針對(duì)這種情況，本文設(shè)計(jì)了一款致力于解決家庭盆栽的智能澆灌檢測(cè)系統(tǒng)，目的是幫助上班族或出差族打理自己的花卉。

1 設(shè)計(jì)思想

本文所研究設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)框圖利用ARDUINO板塊、溫濕度模塊、WIFI模塊、互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等常用單元，實(shí)現(xiàn)土壤濕度檢測(cè)和自動(dòng)澆水智能系統(tǒng)的有效連接，完成智能灌溉功能。如圖1所示，利用土壤溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至Arduino端口，顯示在Arduino IDE上，再通過(guò)WIFI模塊，將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，利用PC與手機(jī)客戶(hù)端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 主要器件原理介紹

2.1.1 Arduino Uno

近幾年，隨著科技發(fā)展，開(kāi)發(fā)板推陳出新。相對(duì)只支持Linux 系統(tǒng)，價(jià)格昂貴的 Raspberry Pi，Beagle Board這兩種板子，Arduino Uno則是一塊開(kāi)放性很強(qiáng)的板子，其軟件部分Arduino IDE，更是一個(gè)開(kāi)源免費(fèi)的平臺(tái)。由于Arduino的開(kāi)放性以及設(shè)計(jì)圖紙的完全公開(kāi)，用戶(hù)可根據(jù)自己需求對(duì)軟件庫(kù)和硬件部分進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足所需傳感器各方面的要求。Arduino包括的硬件部分：一個(gè)同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口的ATmega328；一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕[2]。Arduino的主控板通過(guò)USB線與電腦接口連接，通過(guò)Arduino IDE的調(diào)試端口進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出。

2.1.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器的主要作用是將土壤溫度量和相對(duì)濕度量轉(zhuǎn)換成易被測(cè)量處理的電信號(hào)。本系統(tǒng)使用的是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多YL69土壤濕度傳感器，YL69土壤濕度傳感器由傳感器接觸端，靈敏度調(diào)節(jié)的電位器，電源指示LED，電源正負(fù)極，開(kāi)關(guān)信號(hào)輸出，模擬信號(hào)輸出，開(kāi)關(guān)指示LED組成。

2.1.3 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器用于測(cè)量和反饋當(dāng)時(shí)所處空間范圍內(nèi)的溫濕度。DHT11是一款已有校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器。精度濕度+5%RH， 溫度+2℃，量程濕度2090%RH， 溫度0～50℃。傳感器包括一個(gè)電阻濕感元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與Arduino連接[3]。其四個(gè)引腳分別控制：VCC，DATA，N/A，GND。

2.1.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。L298N 是一款高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片[4]。該芯片采用15腳封裝，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；具有兩個(gè)使能控制端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不僅可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，還可驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

2.1.5 WIFI模塊

WIFI模塊用于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，可以使開(kāi)發(fā)板和PC之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通和傳輸。ESP8266 WIFI 模塊是基于UART接口的符合WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。

2.2 系統(tǒng)搭建

在搭建系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)先注意ARDUINO連接面包板后與溫濕度傳感器，土壤傳感器相連接，同時(shí)面包板上搭接WIFI模塊。將電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊也連接至ARDUINO上，電機(jī)接到L298N上，再將電機(jī)接到塑料管上。

搭接溫箱，這套測(cè)試設(shè)備主要是對(duì)土壤的溫度進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)和控制，而溫箱中的溫濕度測(cè)量數(shù)值則作為輔助。通過(guò)YL69土壤溫濕度傳感器感知土壤瞬時(shí)的溫濕度，利用DHT11溫濕度傳感器測(cè)得溫箱中空氣的溫濕度。同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)Arduino Uno接收，及時(shí)反饋到Arduino IDE。Arduino IDE進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，將統(tǒng)計(jì)過(guò)的數(shù)據(jù)通過(guò)ESP8266 WIFI模塊再反饋到互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)。互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)每鎘20分鐘，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)就會(huì)更新一組土壤中溫濕度的數(shù)據(jù)。若顯示的土壤溫濕度未在正常設(shè)定范圍之內(nèi)，那么灌溉指令就會(huì)傳達(dá)給Arduino Uno，指令導(dǎo)入使得電機(jī)被驅(qū)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)行抽水灌溉盆栽。若測(cè)得溫濕度在設(shè)定范圍內(nèi)，則土壤溫濕度傳感器繼續(xù)回傳數(shù)據(jù)并且檢測(cè)整個(gè)溫箱系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭接里，有兩部分的優(yōu)化內(nèi)容：第一，檢測(cè)溫度時(shí)，若超出正常指數(shù)，需將反饋的未達(dá)標(biāo)溫濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)控制在兩小時(shí)內(nèi)（六個(gè)周期），即反饋的溫度數(shù)據(jù)不正常指數(shù)連續(xù)六次方可進(jìn)行灌溉。優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅節(jié)約水源，還可保護(hù)植物。第二，灌溉指令雖由電腦直接輸出，但用戶(hù)依然具有監(jiān)管權(quán)力。用戶(hù)可直接撤銷(xiāo)電腦給出的灌溉指令，如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)出“turn off”的指令，使得系統(tǒng)在接收后立即停止工作，直至系統(tǒng)發(fā)出“turn on”的指令，系統(tǒng)才能再次被啟動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)大量測(cè)試表明，該智能檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定，有效起到自動(dòng)灌溉盆栽作用。該系統(tǒng)不僅可以采集數(shù)據(jù)，還能夠自動(dòng)為植物灌溉。系統(tǒng)所使用的WIFI模塊，能夠及時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到互聯(lián)網(wǎng)上，保證使用者在出行時(shí)，依然可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)監(jiān)控的目的。很適合經(jīng)常出差又喜好養(yǎng)殖盆栽的人群，具有強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)價(jià)值和市場(chǎng)潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔慶權(quán)，尹遜和.一種簡(jiǎn)易盆栽澆花控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2015（02）.

[2]崔陽(yáng)，張維華，白云峰.一種基于Arduino的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014（04）.

[3]韓丹翱，王菲.DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器的應(yīng)用性研究[J].電子設(shè)計(jì)工程 ，2013（13）.

[4]胡永翔，謝浩，冀連杰.基于光電傳感技術(shù)的太陽(yáng)能最大效率跟隨方案設(shè)計(jì)[J].湘潮（下半月）， 2011（02）.