一種基于STM32的盆栽植物管理系統

葉金霖 池建鋼 王鵬 郭卉 俞飛

摘要：針對人們長期疏于管理導致盆栽植物不能存活的問題，基于STM32單片機，設計了一種盆栽植物管理系統，用戶可通過手機APP客戶端對盆栽植物進行手動或自動的澆水及補光操作，保證了在無人管理時植物能正常生長，節省人力的同時，凈化室內環境。

關鍵詞：單片機;盆栽植物管理;APP客戶端;澆水;補光

0 引言

現代都市生活壓力大，很多人喜歡在家或辦公室擺放盆栽植物，但往往由于工作忙碌或長期外出等，對盆栽疏于管理，大大降低了植物的存活率，降低了人們養殖盆栽的熱情[1]。

本文基于STM32單片機設計的盆栽植物管理系統，可實現對盆栽植物的遠程監控及自動澆水、自動補光等功能。用戶可通過手機端APP無線監測盆栽植物的土壤濕度和光照強度等參數，在植物需要澆水及光照時，可自動或手動完成澆水及補光工作。

1 系統方案設計

該盆栽植物管理系統設計方案如圖1所示，系統主要包括主控制芯片、土壤濕度及光照強度傳感器、LED燈及水泵、OLED顯示器、蜂鳴器、路由器、服務器及手機APP等。

系統工作原理：以STM32單片機為主控制芯片的主控電路接收來自傳感器采集的土壤濕度和光照強度信號，并對采集的數據進行處理分析，同時系統可通過Wi-Fi遠程向手機APP發送信息[2]，若光照強度和土壤濕度不滿足植物生長需求，系統會通過蜂鳴器報警，用戶既可遠程對盆栽植物進行澆水或補光，又可通過托管模式自動澆水和補光。

2 系統硬件電路設計

該盆栽植物管理系統硬件電路主要包括主控制電路、檢測電路、顯示和報警電路、無線傳輸電路及自澆水補光模塊等。

2.1? ? 主控制電路設計

主控制電路原理圖如圖2所示，以STM32F103C8T6單片機為核心，該單片機具有STM32系列的傳統優勢，外設資源豐富，具有12位模數轉換器、1個PWM發生器和3個計時器，支持多個通信接口，適用于多場景應用。

STM32單片機提供了2個外部時鐘輸入接口：外部高速時鐘（HSE）和外部低速時鐘（LSE）。HSE選用8 MHz主頻，用于提供精確的系統時鐘源;LSE選用32.768 kHz主頻，可為實時時鐘或者其他定時功能提供一個低功耗且精確的時鐘源。本設計主要用到的外設包括SPI接口、ADC模塊、串口模塊、GPIO和計數器等。

2.2? ? 檢測電路設計

土壤濕度和光照強度檢測電路選用FC-28土壤濕度檢測模塊采集土壤信息，光敏電阻采集光照強度信息[3-4]，信號經運算放大器放大后發送給主控制器，主控制器的ADC模塊將傳感器的模擬信號轉化為數字信號，并將采集的土壤濕度值和光強值與設定的閾值進行比較。當系統判斷植物缺水時，主控制器控制水泵對盆栽植物進行澆水;當系統判斷植物缺光時，控制LED燈對盆栽植物補光。

2.3? ? 顯示和報警電路設計

顯示電路選用OLED顯示屏，通過SPI協議與主控制進行通信，根據檢測到的土壤濕度及光照強度參數與設定閾值的大小關系，顯示“正常”“缺水”或“缺光”字樣。報警電路采用蜂鳴器作為本地報警裝置，當缺水或者缺光時系統自動報警，提醒用戶進行補水及補光操作[5]。

2.4? ? 無線傳輸電路設計

無線傳輸電路選用ESP8266型Wi-Fi模塊收發來自手機APP的數據，該模塊遵循無線通信IEE 802.11系列協議，單片機通過USART串口與模塊進行通信，模塊將盆栽植物的濕度及光強信息傳輸給手機APP，同時接收來自手機APP的澆水、補光等指令。

2.5? ? 自動澆水補光模塊

自動澆水補光模塊主要由繼電器、水泵和LED光源組成。其中，繼電器選用松樂SRD-5VDC-SL-A型繼電器，線圈直流電壓為5 V;水泵選用JT-DC3L-3型立式微型無堵塞潛水泵，該水泵工作電壓小，流量及揚程符合盆栽植物供水需求，水泵放入蓄水池中，出水口接透明軟管，置入盆栽底部。

3 系統軟件設計

該盆栽植物管理系統總程序設計流程如圖3所示，系統啟動后進行初始化，然后分別采集土壤濕度和光照強度數據，并將數據與設定閾值進行比較判斷。當濕度和光強高于閾值時，系統保持原狀態，循環采集信息，對環境進行實時監控，否則系統會提示報警并執行自動澆水或自動補光程序。當濕度值低于設定的加水閾值時，系統啟動自動澆水程序，控制水泵從蓄水池中抽水對土壤進行補水;當濕度值高于斷水閾值時，系統停止澆水，其中加水閾值低于斷水閾值。當檢測到當前光強低于設定的光強閾值時，系統開始計時;當光照強度持續偏低超過設定的時間閾值時，系統啟動補光程序，對植物連續補光一段時間后停止補光。

濕度和光強數據通過OLED顯示屏顯示，同時通過Wi-Fi上傳至用戶手機APP，手機APP客戶端界面如圖4所示。本設計有兩種模式可供用戶在手機APP端進行選擇，分別是全托管和半托管模式。在全托管模式下，系統會根據土壤濕度和光照強度的變化，自動啟動澆水和補光操作，用戶只可以在手機APP終端查看濕度和光強信息。在半托管模式下，用戶能夠通過手機APP客戶端實時監測盆栽植物生長的同時，可直接發送控制指令來遠程澆花和補光，保證植物的生長[6]。

4 功能測試

該盆栽植物管理系統實物圖如圖5所示，設置土壤濕度加水閾值為30%，斷水閾值為70%，準備不同濕度值分布在10%～80%的土壤，對系統補水功能進行測試，測試數據如表1所示。

設置光照強度閾值為5 000 lx，時間閾值為10 min，補光時間設為5 min，分別在光照強度為500～20 000 lx時對系統補光功能進行測試，測試數據如表2所示。

5 結語

本文設計的盆栽植物管理系統能夠實現對盆栽的及時澆水和補光，能增強人們的培植樂趣，符合智能家居概念，具有一定的應用和推廣價值。此設計還可以應用在糧倉、檔案室等對溫濕度要求敏感的地方，可以防止糧食霉變以及文檔文件的字跡油滲擴散和退變。

[參考文獻]

[1] 朱鑫樂，侯文靜，惠金娣.基于單片機的智能花盆設計[J].信息技術與信息化，2020（2）：172-173.

[2] 韓夢迪，劉明，王帥，等.基于物聯網的花卉養護遠程監控系統設計[J].信息技術與網絡安全，2019（7）：93-96.

[3] 紀秀，吳聯梓，司遠，等.基于AT89C52智能花盆控制系統研究[J].山東工業技術，2014（22）：169.

[4] 潘敏開，黃業盛，何俊蜓，等.一種交互式的物聯網智能花盆系統設計[J].科技資訊，2017，15（2）：4-6.

[5] 王瑩瑩，許悅，金戈，等.基于Arduino平臺的互動式智能盆栽設計[J].無線互聯科技，2020，17（8）：58-59.

[6] 逯文杰，黎雪芬，李曉會.一種基于STM32的智能花盆機器人[J].科學技術創新，2019（25）：66-67.