基于家居智能服務(wù)體系的植物養(yǎng)護(hù)者

葛志斌，吳旭

（沈陽理工大學(xué)，沈陽 110159）

1 引言

如今社會生活節(jié)奏加快，一場說走就走的旅行成為新一代年輕人的主潮流，但是一些煩瑣的事物往往牽絆了人們的雙腳，如澆花、養(yǎng)魚等。為了解綁現(xiàn)代人的雙腳，滿足人們對旅行的需求，增加人們生活的樂趣，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生，智能澆花系統(tǒng)不僅能夠幫助人們解決按時澆花的問題，還有效地促進(jìn)了家養(yǎng)植物的茁壯生長。

2 澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成，硬件部分包括一個STM32主控中心、兩個STM32智能終端控制器、Arduino小車驅(qū)動系統(tǒng)、Wi-Fi無線傳輸模塊以及多種傳感器。

濕度傳感器將采集到的濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32終端控制器，通過Wi-Fi模塊將濕度數(shù)據(jù)傳給STM32主控中心，如果濕度值低于設(shè)定值，就向澆水小車發(fā)送澆水信號。小車上的液位傳感器會實(shí)時監(jiān)測水箱水位，并與終端同步，若水位較低則啟動小車至水閥處請求加水，若水量充足則直接至植物處澆水。當(dāng)土壤濕度滿足要求時，主控模塊發(fā)送停止?jié)菜盘枺≤囮P(guān)閉水閥，并返回原地。

整個系統(tǒng)由6個模塊構(gòu)成，分別為：程序下載與在線調(diào)試端口模塊、電源及其輸入輸出接口模塊、STM32串口模塊、定時器中斷(通用定時器)模塊、STM32的ADC模塊和三種傳感器元件。它們以STM32f103開發(fā)板為中心，以Wi-Fi232模塊為信號交換中心，實(shí)現(xiàn)不同的功能。

3 軟件設(shè)計(jì)與流程

3.1 土壤觀測節(jié)點(diǎn)濕度監(jiān)測

當(dāng)土壤傳感器感受到土壤干濕度的變化時，通過AD轉(zhuǎn)換出的電位的變化經(jīng)ARM控制板與預(yù)設(shè)的電壓閥值作比較，監(jiān)測值低于閥值時，控制板發(fā)送信號到Wi-Fi模塊，通過簡易通信協(xié)議向主控單元模塊發(fā)送澆水信號。

3.2 “護(hù)花使者”液位監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和運(yùn)載

節(jié)點(diǎn)接收到主控單元模塊發(fā)送的澆水請求信號后，ARM控制板則將液位傳感器傳送的數(shù)字信號與預(yù)先設(shè)定的閥值對比。若液位的電位信號高于閥值則發(fā)送啟動信號給Arduino板，開啟電機(jī)驅(qū)動，通過紅外循跡指示小車將水運(yùn)輸?shù)交ㄅ杼帯５竭_(dá)目的地，關(guān)閉電機(jī)。接著發(fā)送澆灌信號控制水閥以滴灌的方式予以澆水。若液位的信號低于閥值則向Ardunio板發(fā)送缺水信號和啟動信號，開啟電機(jī)驅(qū)動，指示小車開往加水處。到達(dá)加水處之后，小車的ARM控制板通過簡易傳輸協(xié)議向主控單元模塊發(fā)送加水信號。

3.3 主控單元模塊接收和發(fā)布信號

主控單元模塊設(shè)置在加水處，從啟動程序開始，便一直請求和接收土壤濕度數(shù)據(jù)并通過I/O口發(fā)送至LCD屏予以實(shí)時顯示土壤濕度情況。當(dāng)主控單元接收到請求信號后，通過ARM控制板進(jìn)行濕度與閥值的比較，若濕度低于閥值則向液位監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)布澆水信號，同時請求小車水箱的液位數(shù)據(jù)。接收到的液位信號低于預(yù)設(shè)閥值時，向液位監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)布加水信號。若主控單元模塊收到液位監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送的加水信號則打開水閥，予以加水。此時，假如收到小車Wi-Fi模塊發(fā)送來的停止加水信號，則關(guān)閉水閥，再次等待土壤濕度數(shù)據(jù)。

4 調(diào)試與誤差分析

為了小車能夠正確循跡到達(dá)盆栽處，需要不斷搜集和更新軌道信息。在此次設(shè)計(jì)中，采用了紅外感應(yīng)作為循跡元件。因?yàn)樗玫氖羌t外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)出來的物理效應(yīng)而轉(zhuǎn)化為電信號，為了避免信號發(fā)生誤讀，所以在多次測試之后，選擇色差最大的黑白作為軌跡來使紅外傳感器識別，最終使小車能夠較為準(zhǔn)確地循跡運(yùn)水。

5 結(jié)論

基于無線網(wǎng)絡(luò)的家庭植物看護(hù)者，是以家庭園藝養(yǎng)護(hù)為前提的研究，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。為了突出監(jiān)控信息無線傳輸、滿足全方位向光性需求和全自動智能補(bǔ)給水的三大特點(diǎn)，相關(guān)研究人員對基于無線網(wǎng)絡(luò)的家庭植物看護(hù)者的硬件部分，包括采集端、控制端、網(wǎng)關(guān)三個部分進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。首先在嵌入式處理器的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了土壤傳感器、液位傳感器、紅外傳感器，充分滿足系統(tǒng)的信息采集要求；擴(kuò)展了無線Wi-Fi模塊，在物理層面上擴(kuò)大了控制范圍，更具簡易性。另外加入自主設(shè)計(jì)的簡單協(xié)議，避免了信息同時傳輸?shù)臎_突；擴(kuò)展RS232口，下載程序用于調(diào)試。擴(kuò)展了LCD輔助顯示系統(tǒng)接口，可以輕松地進(jìn)行圖像、文字顯示。

本作品基于STM32和Arduino板為控制平臺實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測、控制、空間運(yùn)載等功能，通過Wi-Fi定義控制節(jié)點(diǎn)并提供了可靠的分布式網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)與室內(nèi)的家居智能電子設(shè)備的信息交互。在家居看護(hù)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的實(shí)時控制之下，通過軟件及硬件相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)制，對所有連接到智能看護(hù)網(wǎng)絡(luò)上的各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)監(jiān)測和控制。整個設(shè)計(jì)以無線通訊作為控制方式、嵌入式系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)軟、硬件的裁剪以及擴(kuò)展，為人們實(shí)現(xiàn)便捷的、舒適的、網(wǎng)絡(luò)化的生活提供了有效的解決方案。