基于WiFi的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（南昌師范學(xué)院，江西南昌 330032）

隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，越來越多的家庭會在室內(nèi)養(yǎng)花草來裝點(diǎn)環(huán)境、凈化空氣，而且能夠陶冶情操、豐富日常生活。近年來，工作和生活節(jié)奏逐漸加快，出差、旅游、學(xué)業(yè)繁忙等導(dǎo)致人們難以有充足的時(shí)間對花草進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于WiFi的智能澆花系統(tǒng)，可以對土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將信號數(shù)字化處理和輸出，根據(jù)設(shè)定的濕度上、下限進(jìn)行澆水，實(shí)現(xiàn)智能澆花。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

此系統(tǒng)主要利用土壤濕度傳感器FC-28對土壤濕度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采用STC89C51單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對信號的數(shù)字化處理與輸出，用WiFi模塊ESP8266進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將實(shí)時(shí)濕度與設(shè)定的濕度上、下限進(jìn)行對比分析，確定澆水系統(tǒng)的工作情況。

1.2 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由按鍵模塊和濕度檢測模塊作為輸入模塊，經(jīng)過STC89C51芯片對輸入的信號進(jìn)行處理，通過LCD顯示模塊、報(bào)警模塊和驅(qū)動模塊進(jìn)行輸出，WiFi模塊既是輸入模塊又是輸出模塊，通過此模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互。

總體框圖如圖1所示。

圖1 總體框圖

2 硬件電路

2.1 STC89C51最小系統(tǒng)

核心芯片STC89C51完成傳感器采集信號及輸出部分的分時(shí)控制。

復(fù)位電路由K1、C3和R1構(gòu)成，按住K1按鍵，電源VCC經(jīng)C3、R1充電在RST端產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位的高電平。

晶振電路由Y1、C1和C2構(gòu)成的并聯(lián)諧振回路。

STC89C51最小系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 STC89C51最小系統(tǒng)

2.2 LCD顯示模塊

LCD1602液晶實(shí)現(xiàn)當(dāng)前濕度、濕度上限和下限閾值顯示。單片機(jī)P0～P7分別與LCD數(shù)據(jù)端相連，P2.5～P2.7分別與LCD的RS、RW、EN端相連。LCD的字符由ASCII碼表顯示，通過數(shù)據(jù)端的接收的信號轉(zhuǎn)化為顯示的字符。

2.3 濕度檢測模塊

濕度檢測模塊由土壤濕度傳感器FC-28和ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，J1是兩個(gè)插片，插在土壤里，AC口用來采集電壓值，經(jīng)過ADC0832進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過引腳P12、P13、P14傳給單片機(jī)進(jìn)行處理。

1602液晶顯示的電路如圖3所示，濕度檢測的電路如圖4所示。

圖3 1602液晶顯示電路

圖4 濕度檢測電路

2.4 按鍵模塊

本次設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立按鍵，通過三個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)對上、下限土壤濕度的設(shè)置，K2為設(shè)置按鍵、K3為加按鍵、K4為減按鍵。按下按鍵后，單片機(jī)的引腳P15、P16或P17變?yōu)榈碗娖剑瑢?shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的土壤濕度上、下限閾值設(shè)置。

2.5 WiFi模塊

WiFi模塊實(shí)現(xiàn)土壤濕度信息的實(shí)時(shí)展示與遠(yuǎn)程控制澆花。采用ESP8266_12芯片，TXD與RXD分別接至單片機(jī)的P30與P31引腳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程交互。

按鍵與單片機(jī)的接口電路如圖5所示，WiFi模塊電路如圖6所示。

圖5 按鍵電路

圖6 WiFi模塊電路

2.6 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊電路使用5 V水泵噴水，因?yàn)樗脤儆诖蠊β恃b置，所以選擇三極管9012輔助單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對水泵的控制，當(dāng)單片機(jī)的引腳P20為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，水泵正常工作；否則，水泵不工作。電容作用是濾波，濾除水泵供電電源中的低頻參量，使水泵穩(wěn)定工作。

2.7 報(bào)警模塊

當(dāng)土壤濕度低于所設(shè)定的濕度下限時(shí)，蜂鳴器啟動報(bào)警，對土壤進(jìn)行澆水等操作后，使土壤濕度回到設(shè)定的范圍，蜂鳴器停止報(bào)警。當(dāng)單片機(jī)的引腳P11為低電平時(shí)，三極管9012導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)LED也會閃爍。

驅(qū)動模塊電路如圖7所示，報(bào)警模塊電路如圖8所示。

圖7 驅(qū)動模塊電路

圖8 報(bào)警模塊電路

3 軟件程序

該系統(tǒng)的軟件代碼采用模塊化設(shè)計(jì)，包括濕度檢測程序模塊、AD轉(zhuǎn)換程序模塊、顯示程序模塊等。上電初始化，采集土壤濕度值，設(shè)置濕度上、下限，系統(tǒng)自動判斷是否滿足澆花條件，將采集的數(shù)據(jù)顯示在LCD顯示屏上。若當(dāng)前土壤濕度低于預(yù)設(shè)濕度下限值，蜂鳴器啟動報(bào)警，水泵啟動澆花；土壤濕度高于預(yù)設(shè)濕度下限值時(shí)，蜂鳴器停止報(bào)警，水泵繼續(xù)進(jìn)行澆水，直到土壤濕度值高于預(yù)設(shè)濕度上限值，水泵停止?jié)菜Ｖ髁鞒虉D如圖9所示。

圖9 主流程圖

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試條件

系統(tǒng)測試如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)測試

將土壤濕度傳感器置于盆栽植物土壤中，在室內(nèi)室溫條件下，將系統(tǒng)上電，打開開關(guān)。此時(shí)，觀察LCD顯示屏上的顯示值，液晶第一行顯示實(shí)際的濕度，液晶第二行顯示上次斷電前的濕度上限值和濕度下限值，可以通過按鍵或手機(jī)設(shè)置土壤濕度合適的上、下限閾值，按下選擇工作模式按鍵可以切換手動模式和自動模式。

手動模式：按下按鍵，電機(jī)抽水，實(shí)際的濕度值不影響水泵的工作狀態(tài)，只有再按下按鍵才能停止抽水。自動模式：實(shí)際濕度在濕度上、下限范圍內(nèi)，水泵不工作，紅燈不閃爍，蜂鳴器不響，綠燈常亮；實(shí)際濕度小于濕度下限，水泵工作，紅燈閃爍，蜂鳴器報(bào)警；實(shí)際濕度大于濕度下限，水泵不工作，紅燈不閃爍，蜂鳴器不報(bào)警，此時(shí)打開系統(tǒng)WiFi功能，則可以通過點(diǎn)“開/關(guān)”鍵向水泵發(fā)送工作指令。

4.2 測試結(jié)果

設(shè)置濕度下限值為25%，濕度上限為60%，基于不同濕度的土壤，

系統(tǒng)測試情況如表1所示。

表1 測試結(jié)果 單位：%

5 結(jié)語

本文研究一種基于WiFi的智能澆花系統(tǒng)，對土壤濕度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，對信號進(jìn)行處理并輸出控制信號，實(shí)現(xiàn)土壤濕度信息的實(shí)時(shí)顯示和智能澆花的遠(yuǎn)程控制。經(jīng)測試，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，進(jìn)一步完善可用于園林、大棚蔬菜及果園等進(jìn)行自動澆灌。