家庭園藝智能控制器設計

王堯 何鵬 李帥祺 胡純純 丁嘉

【摘 要】文章根據家庭園藝環境需求，借助單片機技術、傳感器技術和自動控制技術，設計并實現了智能家庭園藝控制系統。該系統可以實現對空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度的測量，并在測量基礎上借助模糊控制理論啟動執行器對部分參數進行調整，通過實驗證明，該系統可以達到預期要求。

【關鍵詞】智能家庭園藝;模塊化設計;模糊控制;傳感器

中圖分類號： S688 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）24-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.24.012

1 背景

隨著社會經濟發展和人民群眾生活水平的提高，越來越多的人開始關注家庭園藝，期望通過這種方式營造更加宜人的生活環境，舒緩壓力，增加家庭中的自然氣息和生活情趣。所謂家庭園藝是指在居室內、陽臺、屋頂、露臺或庭院等空間范圍內從事園藝植物栽培和裝飾的活動。傳統的家庭園藝需要投入大量的額外時間和精力，但大部分家庭園藝愛好者對植物基本養護知識知之甚少，對植物生長習性和環境因子估計不足，尤其是面對多種不同來源的植物時，養護隨意性很強，再加上工作繁忙，造成很多植物的生長達不到預期狀態，甚至造成不必要的損失，浪費了很多時間、精力和金錢。從農業角度看來，家庭園藝屬于微農業范疇，近年來在國內外受到很大關注，部分國家和企業也推出了一些產品，但這些智能化產品大多面向規模化的智能種植，設備成本較高，并不適合家庭環境，因此開發一種較為經濟的家庭園藝智能控制器很有必要。

2 系統功能規劃與硬件設計

2.1 系統工作原理

該智能控制器系統主要功能是采集環境因子信息、對采集信息進行分析顯示、根據預設模式控制外部設備進行環境干預等。因此該系統主要包括環境因子采集器、智能控制器和執行器三部分。其中環境因子采集器主要負責采集光照、空氣溫濕度、土壤濕度等信息;控制器主要負責對采集信息的信息搜集與分析并做出決策，并指導執行器進行環境干預;執行器包括開關、控制閥、繼電器等，用于在控制器指揮下通過閥門和開關，進行滴灌、噴霧、補光等作業。其系統框圖如圖1所示。

2.2 系統硬件組成

2.2.1 STM32芯片

本系統采用STM32為核心，該單片機為STC公司成熟產品之一，可用于收集傳感器提供的環境信息并進行深入分析，也可以連接各種外設將信息及時表達出來。

2.2.2 光敏傳感器與補光燈

光照信息采集電路采用GL5528光敏電阻為傳感器，可對光譜峰值為540nm的光線進行測量，10Lux下亮電阻為10-20KΩ，暗電阻約為1MΩ，可在環境溫度為-30～70℃環境下工作。將光敏電阻與一固定阻值電阻串聯，將節點電壓分壓轉換后送單片機ADC口即可根據檢測到的模擬電壓對當前光照情況進行分析判斷。當光照強度過弱時，打開補光燈實施補光。也可以根據植物生長需要，實施連續強制補光。補光燈所采用的顏色以滿足植物生長需要，波長為640～660nm的紅光和波長為430～450nm的藍紫光為主。

2.2.3 空氣溫濕度傳感器

溫濕度信息來自于AM2301型空氣溫濕度傳感器，該傳感器采用單總線傳送方式，供電電壓為5V，可以2s/次的刷新率對-40-80℃范圍內的溫度信息和RH 10-90%的濕度信息進行可靠檢測。當空氣濕度過低時，噴霧提示燈將閃爍，提示用戶及時噴霧補水。

2.2.4 二氧化碳濃度傳感器

二氧化碳信息來自于MG811二氧化碳傳感器，該傳感器采用固態電解質電池原理測量二氧化碳，受空氣溫濕度的影響較小，年漂移量預期只有20PPM，長期穩定性好，對二氧化碳有著良好的靈敏性，無需校準，性價比高，適合對價格要求嚴格的應用場合。

2.2.5 土壤濕度傳感器

土壤濕度信息使用四線制土壤濕度傳感器感應獲得，其接口電路如圖2所示。其中RP即為土壤濕度傳感器，該傳感器與固定電阻R2串聯，分壓結果通過比較起比較后上拉輸出。RP1可以調節系統閾值。同時分壓結果也可以直接進ADC以便獲得更精確的土壤濕度信息。如土壤濕度過低，系統將啟動滴灌控制閥，通過滴灌方式向土壤實施補水操作。

3 軟件設計

3.1 軟件設計思路

當上電后，系統工作流程首先完成各模塊及芯片的初始化，接著依次進行各環境數據采集，通過比對設置參數判斷是否執行控制模塊動作對環境參數進行調控，最后OLED實時顯示出來，最后圖3為系統主函數流程。

3.2 控制相關算法

由于環境控制測量因素較多，且部分因素存在較明顯的非線性，系統的控制精度要求并不嚴格，因此考慮使用簡單的模糊控制算法。

模糊控制算法就是以模糊數學理論為基礎發展而來的一種非線性控制算法，這種算法的優點是不需要為控制對象建立起精確的數學模型而是利用項目工作人員的長期經驗和大量數據匯總而成的語言控制規則，并將其轉化為可編輯的多變量模糊控制器。

4 測試情況

表1為測量數據，并于測量儀測得數據比較，分析可知系統測得的各項數據濃度誤差都在±5%RH以內，溫度誤差最大在±1℃左右。均符合設計指標。

5 總結

文章設計了基于STM32的智能家庭園藝控制系統，通過OLED實時測量顯示出空氣溫濕度、土壤濕度和CO2濃度四項參數，可向家庭園藝愛好者提供直觀數據，以便其對植物生長環境進行干預，同時也具備一定的智能功能，可在用戶外出等情況下對家庭園藝（花圃）實施自動管理，節約人力，有利于提高家庭園藝種植的成功率。

【參考文獻】

[1]陽領.基于單片機的智能家居加濕系統設計[J].科技風，2018（27）：155.

[2]季寶杰，鄒彩虹，王永田.基于單片機的溫室自動控制系統設計[J].計算機測量與控制，2007（01）：73-75+105.

[3]谷沛尚，田芳明，常永新，趙欣宇，郭德占，趙琛，那陽.基于STM32單片機的作物生長環境監控系統設計[J].科技創新與應用，2017（30）：43+45.

[4]李萌，孫鐵波，胡磊.多目標溫室測控系統模糊控制算法的實現[J].機電技術，2013（5）：48-49.