家用智能蔬菜種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付于 林智慧

摘要：設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)作為核心控制器，外圍結(jié)合了溫濕度傳感模塊、光照傳感模塊、報(bào)警模塊、電源模塊、執(zhí)行模塊、顯示模塊等。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器會(huì)持續(xù)檢測(cè)蔬菜種植柜中的環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)值不滿足預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)前的溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償，一旦檢測(cè)數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止補(bǔ)償，繼續(xù)檢測(cè)。經(jīng)測(cè)試，該家用智能蔬菜種植系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能良好，具有操作方便、成本低、占地小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蔬菜種植系統(tǒng);STM32;傳感器

中圖分類號(hào)：TP3 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）32-0111-02

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)于食品安全和休閑娛樂(lè)的需求越加明顯，特別是一些城市居民，在使用智能蔬菜種植系統(tǒng)時(shí)，不僅能夠收獲新鮮的蔬菜，還可以豐富自己的日常生活。市面上所售的蔬菜種植架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，對(duì)種植環(huán)境和使用人員具有較高要求，很大程度上限制了室內(nèi)蔬菜種植的發(fā)展。本文所研究的家用智能蔬菜種植系統(tǒng)將降低城市用戶對(duì)于蔬菜種植的技術(shù)及環(huán)境條件，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)對(duì)蔬菜生長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)控制，全程無(wú)須干預(yù)，方便種植。該系統(tǒng)對(duì)用戶基本無(wú)種植經(jīng)驗(yàn)要求，其種植簡(jiǎn)單，具有觀賞性、娛樂(lè)性、重視用戶體驗(yàn)，是解決城市居民對(duì)生態(tài)蔬菜需求的一種新途徑。

眾所周知，當(dāng)蔬菜所處的環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，都會(huì)影響蔬菜的生長(zhǎng)和發(fā)育，由于環(huán)境不適宜而引起蔬菜發(fā)黃、干枯、壞根是室內(nèi)種植蔬菜最容易出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)而影響到蔬菜的外觀，使種植者對(duì)于室內(nèi)種植蔬菜喪失興趣。由于城市居民大多數(shù)是沒(méi)有蔬菜種植經(jīng)驗(yàn)的，在室內(nèi)環(huán)境中種植土壤較淺，水分較容易流失，且在室內(nèi)光照、通風(fēng)和溫濕度都不太適宜蔬菜生長(zhǎng)。所以，一種智能蔬菜種植系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)可以降低城市居民在室內(nèi)種植蔬菜的難度，以此滿足人們?cè)谑覂?nèi)種植蔬菜的美好愿望。

1 總體方案設(shè)計(jì)

將種植架置于室內(nèi)合適的地方，播種蔬菜種子或者幼苗，同時(shí)啟動(dòng)智能種植系統(tǒng)開始工作。種植系統(tǒng)上的光照傳感器實(shí)時(shí)采集光照數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先輸入的該品種蔬菜適宜生長(zhǎng)的光照參數(shù)來(lái)檢測(cè)當(dāng)前光照強(qiáng)度是否合適，一旦強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)值，就啟動(dòng)光照強(qiáng)度補(bǔ)償功能，將光照強(qiáng)度調(diào)整到適宜生長(zhǎng)的強(qiáng)度范圍。同理，系統(tǒng)上的溫濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境的溫度及濕度，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)。當(dāng)溫度偏低時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)事先輸入其中的該類蔬菜生長(zhǎng)數(shù)據(jù)來(lái)控制增溫裝置進(jìn)行增溫，使溫度達(dá)到最適宜溫度;當(dāng)溫度偏高時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)控制降溫裝置進(jìn)行降溫。濕度不達(dá)標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)霧化系統(tǒng)，將土壤濕度補(bǔ)充到最適宜生長(zhǎng)的濕度。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。其中執(zhí)行模塊包括降溫、加濕等裝置。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1控制模塊

本設(shè)計(jì)采用的核心控制器是STM32F103C8T6單片機(jī)，該單片機(jī)基于超低功耗的ARM Cortex-M3 處理器內(nèi)核，整體增強(qiáng)了技術(shù)性和功能性，它是一款工作性能比較好、使用成本比較低、功耗比較小的一種嵌入式應(yīng)用芯片。其內(nèi)部主要包含了片上集成64KB的Flash存儲(chǔ)器和20KB的SRAM存儲(chǔ)器，同時(shí)還具有非常豐富的片內(nèi)外設(shè)，如看門狗、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、I/O口、DMA控制器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、串口等?？刂颇K原理圖如圖2所示。

2.2溫濕度檢測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器是DHT11數(shù)字溫度傳感器，它不僅可以把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)交由單片機(jī)控制器進(jìn)行分析和處理，而且采用的是單線接口。其中最突出的特點(diǎn)是：可以直接將溫濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸。該傳感器在測(cè)量的準(zhǔn)確度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸速度中都比傳統(tǒng)的溫濕度傳感器有明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該傳感器可以更準(zhǔn)確地解決各種情況下出現(xiàn)的誤差，使溫濕度傳感器在可靠性和安全性方面表現(xiàn)優(yōu)良。DHT11傳感器的特點(diǎn)是可以采用一根單線進(jìn)行信號(hào)傳輸，無(wú)須外圍元件;可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)測(cè)溫點(diǎn);測(cè)溫范圍為0-225攝氏度;測(cè)量的數(shù)據(jù)值可以再次進(jìn)行編程。當(dāng)溫濕度達(dá)到預(yù)設(shè)值的時(shí)候，就會(huì)進(jìn)行報(bào)警處理。其電路圖如圖3所示。

2.3光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊

光照傳感器主要應(yīng)用于檢測(cè)光照強(qiáng)度是否滿足蔬菜的生長(zhǎng)要求，以保證蔬菜能夠在合適的光照下生長(zhǎng)。系統(tǒng)采用的光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊是GY302。該模塊是一款基于IIC通信的16bit的數(shù)字型傳感器。模塊主要是以BH1750數(shù)字型光強(qiáng)感應(yīng)芯片為核心及一些外圍驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，可以測(cè)量的光照度范圍為0～65535勒克斯，最小誤差波動(dòng)為±20%，分辨度為1勒克斯。此模塊是一個(gè)五針腳模塊，包含VCC、GND、SCL、SDA、ADDR五個(gè)引腳。其中VCC接電源正極，其電壓范圍在3～5V之間;GND接地;SCL為時(shí)鐘線;SDA為數(shù)據(jù)線;SCL和SDA與單片機(jī)相連時(shí)接上一個(gè)5k阻值的上拉電阻;ADDR為寄存器的地址引腳，其接地時(shí)器件地址為0100011，接電源正極時(shí)器件地址為1011100。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

蔬菜種植系統(tǒng)上電啟動(dòng)后，通過(guò)溫濕度傳感器DHT11和光照強(qiáng)度傳感器GY302實(shí)時(shí)檢測(cè)溫濕度和光照參數(shù)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂葡到y(tǒng)，主控制系統(tǒng)對(duì)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，最終判斷出種植柜里的溫度、濕度和光照強(qiáng)度是否復(fù)合設(shè)定范圍。若滿足，則繼續(xù)監(jiān)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù);若不滿足，聲光報(bào)警器報(bào)警，執(zhí)行模塊工作，進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)的補(bǔ)償，直到滿足設(shè)定值范圍，關(guān)閉補(bǔ)償，繼續(xù)監(jiān)測(cè)，如此往復(fù)。系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

軟硬件設(shè)計(jì)調(diào)試后，進(jìn)入到系統(tǒng)測(cè)試階段。當(dāng)實(shí)物上電啟動(dòng)后，手動(dòng)模擬環(huán)境參數(shù)變化，溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器會(huì)持續(xù)檢測(cè)蔬菜種植系統(tǒng)中的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)值不滿足預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)當(dāng)前的溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償;當(dāng)傳感器檢測(cè)到環(huán)境數(shù)據(jù)滿足預(yù)設(shè)值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)停止對(duì)當(dāng)前溫濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)償，繼續(xù)進(jìn)行參數(shù)檢測(cè)。系統(tǒng)實(shí)物如圖5所示。

具體模擬測(cè)試過(guò)程為：用手將光照強(qiáng)度傳感器遮住，模擬?室內(nèi)的光照條件，補(bǔ)光系統(tǒng)開始工作;系統(tǒng)穩(wěn)定后將手拿開，模擬室內(nèi)光照強(qiáng)度增加，種植系統(tǒng)停止補(bǔ)光;用手接觸溫度傳感器模擬室內(nèi)環(huán)境溫度升高，種植柜提示燈亮起，風(fēng)扇開始工作;待系統(tǒng)穩(wěn)定后將手拿開，模擬室內(nèi)溫度降低，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng);把濕度閾值設(shè)置為高于當(dāng)前濕度值，將濕度傳感器置于濕抹布之上，從而模擬濕潤(rùn)土壤，待數(shù)值穩(wěn)定后，拿開濕抹布模擬土壤濕度降低，種植系統(tǒng)的水泵開始工作。待系統(tǒng)穩(wěn)定后再將濕抹布置于濕度傳感器上，模擬土壤濕度增加，水泵停止工作。

測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行正常，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，誤差在允許范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天，智能化的蔬菜種相較傳統(tǒng)意義上的種植更加人性化和科技化。在城市居住環(huán)境中，利用陽(yáng)臺(tái)等空間，種植蔬菜，不僅能夠美化環(huán)境，消遣閑暇時(shí)光、改善室內(nèi)環(huán)境，又能食用到新鮮營(yíng)養(yǎng)的綠色食品，一舉多得。市面上所具有的蔬菜種植架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，對(duì)種植環(huán)境和使用人員具有較高要求，所以限制了都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展。本文所研究設(shè)計(jì)的智能蔬菜種植系統(tǒng)具有成本低、使用簡(jiǎn)單、穩(wěn)定易用等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)種植的不足，將成為今后室內(nèi)種植的一種新模式，擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】

收稿日期：2021-05-25

基金項(xiàng)目：西安思源學(xué)院2020年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（S202013121004S）

作者簡(jiǎn)介：付于，本科在讀;林智慧，女，副教授，主要研究方向?yàn)殡娮油ㄐ偶夹g(shù)等。