基于ESP8266的智能盆栽控制系統設計

曹靜　唐冰釗　蓋曉華

摘要：本文設計了一款智能盆栽控制系統，該系統可以檢測盆栽的生長環境信息，自動控溫控濕，補充光照。系統分為設備端和客戶端兩部分，設備端以ESP8266為主控芯片，通過檢測DS18B20測溫傳感器、電容式土壤測濕傳感器、BH1705光照傳感器采集到的環境數據，控制風扇、電熱絲、水泵和補光燈等執行元件工作實現自動控溫、控濕，補充光照;客戶端設計了微信小程序，使用阿里云服務器實現與設備端的通訊，用戶可以通過手機監測植物的生長環境信息，并進行控制，實現了盆栽的智能管理。

關鍵詞：盆栽管理;溫度控制;濕度控制;物聯網

引言

為適應健康生活的潮流，越來越多的人選擇在家里和辦公場所種植綠色盆栽植物，這不僅是一種樂趣，讓生活更加豐富，同時綠植能夠凈化空氣，有益身心健康。植物的健康生長離不開適宜的溫度、濕度以及光照，但隨著生活節奏的加快，很多人因無暇照顧而導致綠植枯萎致死。因此，為了讓花草得到悉心照顧，設計一款能自動進行補光澆水的智能花盆有一定的實用價值。

1 總體方案設計

智能盆栽控制系統設計分為設備端和客戶端兩大部分。設備端主要完成數據的采集、處理和發送功能：通過主控制器接收傳感器采集到的溫度、濕度、光照等環境信息，控制相關執行元件，實現對溫度、濕度、光照強度的控制。同時借助互聯網，將設備端采集的數據上傳到云服務器，再將其發送到客戶端——用戶設備端，供用戶訪問，確保用戶在聯網條件下可隨時隨地獲取盆栽植物生長環境信息。設計方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

ESP8266是一款具備32位Tensilica處理器的聯網功能且集成度高、功耗低的WIFI模塊，可以構建獨立的網絡控制器。選用可以實現控制功能的ESP8266 WIFI模塊作為系統的控制器，既能夠滿足系統設計要求，又比采用獨立控制器+WIFI模塊的常規模式降低了成本，提高了系統的性價比。系統的硬件電路分為主控、電源、檢測和控制電路四部分。下面著重介紹檢測電路、控制電路兩部分。

2.1檢測電路

2.1.1溫度傳感模塊

溫度檢測裝置選擇常用的數字溫度傳感器DS18B20，其輸出的是數字信號，檢測范圍是-55℃～+125℃，固有測溫誤差1℃。DS18B20的數據端DQ接到主控板的D3引腳上用于數據傳輸，電源引腳VDD外接3.3V直流電源，GND接地。

2.1.2濕度檢測模塊

土壤濕度的測量選用電容式土壤濕度傳感器，工作電壓3.3～5.5V，輸出電壓0～3V。檢測法是電容感應原理，解決了電阻式傳感器容易被腐蝕的問題，工作壽命更長。電容式土壤濕度傳感器的三個引腳分別是GND接地端，VDD電源引腳和DQ數據輸入輸出引腳。電容式土壤濕度傳感器是AD采集方式。

2.1.3光照檢測模塊

光照傳感器選用BH1750FVI，檢測范圍在1到65535 lx之間，光照檢測電路如圖2所示。

BH1750FVI共有五個引腳，分別是接地端GND，IIC地址引腳ADDR，IIC總線數據線SDA，IIC總線時鐘線SCL，電源引腳VCC。設計中BH1705采集光照協議是IIC，將SDA數據線和SCL時鐘線分別接在主控的D1和D2，VCC外接3.3V直流電源，GND接地，不使用ADDR引腳，將其接地。

2.2控制電路模塊

控制電路部分使用電機驅動板分別控制風扇、電熱絲、水泵和補光燈。控制模塊電路圖如圖3所示。

為簡化電路，將電機驅動板輸入端口的所有接地端連接共同接地。電機驅動板A+、B+、C+、D+端分別接主控板的D5～D8引腳，通過電機驅動器輸出PWM信號控制執行裝置的通斷。

3 系統軟件設計

3.1設備端軟件設計

軟件編譯環境選擇便捷靈活的Arduino，設備端軟件設計流程如圖4所示。

3.2用戶端軟件設計

設備端程序編寫采用C語言，而微信端是Java編程，二者在阿里云服務器進行數據傳輸時會存在一些不兼容，為解決這一問題，需選用一種高效的策略統一標準，先將不同格式的編程語言進行標準化統一，再進行優化。本設計采用了JSON數據交換格式。JSON數據格式簡單，易于讀寫、解析和編寫，且都是壓縮格式，占用帶寬小，支持C ， Java等多種語言。設計中基于JSON數據格式開發了一款編程語言標準化工具，能夠將不同的編程語言設統一導出為JSON格式，便于自動分析對比，提高策略梳理效率和準確性。

4 物聯網數據傳輸

通過阿里云平臺完成ESP設備端與微信用戶端的數據傳輸的設計依據為：阿里云物聯網平臺作為數據中轉站，對每個設備定義兩個分別用于接收和發送數據的地址topic。云服務器平臺通過topic接受設備發送的數據或向設備發送數據，不同topic之間的數據傳遞通過云服務器內部云產品流程進行傳遞。設備間數據傳輸如圖5所示。

5 測試與分析

系統測試主要包括三個方面：（1）ESP設備端通過阿里云服務器能否將溫度、濕度、光照的檢測值準確無誤地發送到微信用戶端;（2）微信用戶端通過阿里云服務器能否將溫度、濕度、光照的設定值發送到ESP設備端。（3）當ESP設備端接收到用戶命令及現場采集數據，能否控制執行裝置及時動作，使溫度、濕度和光照快速到達設定值。

5.1微信用戶端接收數據測試

開啟設備，傳感器開始檢測當前溫、濕度和光照，每2s采集一次，并發送給阿里云服務器，再由阿里云服務器發送給微信端，測試結果是，云端和微信端均可接收到當前值，數據一致且正常顯示，效果符合預期，測設結果如圖6所示。

5.2 ESP設備端接收命令測試

通過微信端設置的滑動條改變溫度、濕度、光照的設定值，例如設置溫度16℃，濕度44%RH，光照415%lx，通過阿里云將設定值發送給ESP設備端， ESP接收到的設定值通過串口發送到電腦串口調試窗口進行顯示。測試結果為設備端可以準確快速地接收到微信端發送的設定值。

5.3 ESP設備端控制測試

微信用戶端向ESP設備端發送光照設定值，設定為600lx。如圖7所示，測試結果為執行裝置能夠快速動作，用戶端接收到的現場采集數據能夠迅速到達設定值。

6 結論

通過搭建智能盆栽的硬件模型，進行系統的實時數據采集、數據傳輸及控制效果的測試，系統設備端和用戶端各項功能均達到設計要求，實現了盆栽環境的智能控制，有一定的實用價值。

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作者簡介

1.曹靜，女，22歲，漢族，南陽理工學院自動化專業本科學生，曾獲河南省機器人競賽三等獎。

2.唐冰釗，男，21歲，漢族，南陽理工學院自動化專業本科學生，曾獲河南省機器人競賽一等獎，全國大學生電子設計競賽省級三等獎。3.蓋曉華，女，53歲，漢族，南陽理工學院，教授，通訊作者。