基于物聯(lián)網(wǎng)的植物教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

洪嘉昱，張家鵬，盧琰琪

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動化學(xué)院，浙江杭州，311611)

0 引言

隨著社會科學(xué)教育水平的升高，steam 教育的興起，以及學(xué)生和老師對于實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及實(shí)驗(yàn)過程可控性的需求日益增高，傳統(tǒng)的動植物實(shí)驗(yàn)教育模式已逐漸無法滿足現(xiàn)有的教學(xué)需求。在這樣的大環(huán)境下，設(shè)計(jì)一個種針對中小學(xué)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)教儀的重要性就體現(xiàn)了出來。采用嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)再結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)或可視化軟件編程實(shí)現(xiàn)對于實(shí)驗(yàn)儀器內(nèi)的光照、氣體、水分等十余種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)儀器也會將內(nèi)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)反饋給用戶，大大提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)過程的可控性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

本文提出的植物培養(yǎng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，主要由手機(jī)端交互程序和PC 端LABVIEW 構(gòu)成上位機(jī)系統(tǒng)，ESP32-CAM 模塊和STM32F103C8T6 構(gòu)成下位機(jī)控制傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。上下位機(jī)通過訪問云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，同時(shí)存儲歷史數(shù)據(jù)和照片。上位機(jī)既可以通過LABVIEW 自行定制，也可以通過手機(jī)端操作，只需要擁有訪問碼即可，以適應(yīng)不同需求的用戶。下位機(jī)通過ESP32 自帶的WiFi 聯(lián)網(wǎng)，攝像由ESP32-CAM 模塊搭載的OV2640 實(shí)現(xiàn)。STM32F103C8T6 負(fù)責(zé)控制燈光、熱量、語音播報(bào)、水泵、電磁場、電刺激、超聲波等創(chuàng)新功能和讀取傳感器，ESP32 和STM32 通過串口交換數(shù)據(jù)。

1.2 光熱控制和空氣傳感器

系統(tǒng)搭載的傳感器較多且STM32F103C8T6 程序存儲空間較大，適合進(jìn)行光照度閉環(huán)控制。光照度控制系統(tǒng)由傳感器BH1750 和白-紅-綠-藍(lán)四色LED 燈組成，當(dāng)室外陽光強(qiáng)烈時(shí)LED 燈組亮度自動降低，反之升高，使得箱體內(nèi)光照度恒定為用戶設(shè)定值。同理，空氣溫度由AHT10 采集，與PTC 加熱器構(gòu)成閉環(huán)。LED 燈組由STM32F103C8T6 的定時(shí)器2 輸出不同占空比來控制LED 燈組亮度，PTC 加熱器由于使用220V 供電，只能通過固態(tài)繼電器通斷控制發(fā)熱量，其控制邏輯如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 二氧化碳閉環(huán)控制

考慮到MH-Z19D 等傳感器體積功耗較大且成本較高，不適合批量生產(chǎn)，通過市場調(diào)研后，經(jīng)過多種同類產(chǎn)品比較，最后選用了采用基于MEMS 工藝制作的CCS811 的傳感器。其具有體積較小，控制代價(jià)較低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。其尺寸為4mm*2.7mm且可以和AHT10、BH1750 使用同一條I2C 總線，大大減少了STM32F103C8T6 的一般IO 使用量，提升了控制效率。

二氧化碳的生成采用檸檬酸-碳酸鈉中和反應(yīng)法。該方法相較于氣瓶存儲法，有效的提升了產(chǎn)生裝置的壽命和安全性，同時(shí)提升了可控性，進(jìn)而提升了生成效率。生成裝置采用兩個PP 塑料盒，其中一個盛放檸檬酸溶液，另一個盛放碳酸鈉溶液。通過水泵將碳酸鈉溶液泵入檸檬酸溶液中進(jìn)行中和反應(yīng)即可產(chǎn)生二氧化碳。如圖4 所示，裝置至于上方，利用空氣自然對流使箱體內(nèi)二氧化碳均勻分布。采用了與箱內(nèi)發(fā)熱控制采用相同的控制邏輯，實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)控制二氧化碳濃度如圖2 所示。

圖2 閉環(huán)控制邏輯圖

圖3 土壤傳感器電路圖

圖4 土壤傳感器PCB 結(jié)構(gòu)

1.4 帶有缺水反饋的潛水泵

為了簡化裝配流程，將缺水反饋裝置簡化為兩個PCB 上的焊盤，利用焊錫自身帶有的致密氧化膜防止腐蝕。其中一個焊盤直接接地，另一個焊盤連接STM32F103C8T6 的GPIO 并使能上拉電阻。當(dāng)水位低于兩個焊盤時(shí)，GPIO 會讀到高電平。這種設(shè)計(jì)大大減少了裝配時(shí)間，有效降低成本。

2 傳感器及數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)的電阻式土壤濕度傳感器在含鹽、潮濕環(huán)境中壽命精度易受影響，且市售的電容式土壤濕度傳感器價(jià)格偏高且功能單一。介于電容式土壤濕度傳感器本身原理簡單，自行設(shè)計(jì)基于NE555 震蕩的土壤濕度傳感電路，并將土壤電導(dǎo)率、土壤酸堿度、土壤溫度一并集成到單塊印刷電路板上。

如圖7 所示,溫度傳感器LM35 和兩對極耳置于前端便于深入土壤。LM35 表面覆蓋防水膠，其余元件置于后端并涂刷三防漆覆蓋熱縮管防潮。NE555將印制電路板上的電容變化轉(zhuǎn)為頻率變化，通過程序讀取。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，頻率僅和土壤濕度有關(guān)，與土壤密度無關(guān)。經(jīng)過多次測試，傳感器的頻率隨土壤的濕度增加而降低，其具體表現(xiàn)如表1 所示。

表1 傳感器檢測頻率濕度對應(yīng)關(guān)系如表

通過直流恒流源接通土壤來檢測其電導(dǎo)率的方法會造成土壤被電解產(chǎn)生極化現(xiàn)象，干擾數(shù)據(jù)測量。因此需要向土壤接通交流電后測量電壓降避免電解反應(yīng)。如圖6 所示，直流脈沖由U2 提供，再由U1A 轉(zhuǎn)換為交流脈沖后通過電極接入土壤。另一端電極采集電壓后通過U1B 低通濾波去除干擾，再由U1C 和U1D 進(jìn)行精密整流，最后送至STM32F103C8T6 的ADC轉(zhuǎn)換。多次取數(shù)據(jù)取平均值后，帶入公式即可求電導(dǎo)。式(1)為電導(dǎo)率計(jì)算公式。

圖5 發(fā)送端例程

圖7 超聲波驅(qū)動電路

其中，S 為電導(dǎo)率S/cm，K 為電導(dǎo)池常數(shù)1.0cm-1；R 為R4的阻值2K；U0為信號源電壓平均值0v；U1為實(shí)際取得的值。

由于土壤電導(dǎo)率受溫度和土壤濕度影響較大，需要先讀取溫度和濕度信息，再通過查表法依次尋找對應(yīng)β 的值，該系數(shù)在25℃時(shí)為0.02。

土壤酸堿度由一對銅鋅電極組成，利用原電池反應(yīng)檢測土壤的酸堿度，與電導(dǎo)率觸點(diǎn)一同安置在頭部。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，銅鋅電極輸出的最高電壓不超過STM32F103C8T6 的ADC 最大量程且與土壤酸堿度表現(xiàn)出強(qiáng)相關(guān)性。

此土壤傳感器濕度、溫度、酸堿度讀取精度較高，電導(dǎo)率檢測具有參考意義，制作簡單功能完備，契合非實(shí)驗(yàn)室使用需求。

3 人機(jī)交互及創(chuàng)新點(diǎn)概述

3.1 基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的交互程序

交互程序主要面向中小學(xué)生，因此需要簡單易懂。主要包括遙控操作、信息通知、照片成像和密鑰設(shè)置功能。植物培養(yǎng)箱通過互聯(lián)網(wǎng)將照片和數(shù)據(jù)上傳至物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上設(shè)置的topic，交互程序訪問相應(yīng)的topic 即可取得數(shù)據(jù)和圖片。交互程序采用B/S 架構(gòu)，Vue.JS 作為框架，遵循Web 交互程序的設(shè)計(jì)思路。因此不需要通過應(yīng)用商店的審核，可以直接通過瀏覽器“安裝”。區(qū)別于傳統(tǒng)的植物培養(yǎng)箱僅限于實(shí)驗(yàn)、記錄，還設(shè)計(jì)了將多張照片組合成延時(shí)攝影視頻的功能，能夠?qū)⒅参镎麄€生長周期內(nèi)所有的照片匯總成一支視頻，讓使用者直觀了解植物生長的過程。為了方便批量管理，利用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器同時(shí)需要cmd（命令）、uid（用戶id）、topic（話題）的特性，設(shè)置密鑰功能。cmd 和uid 始終恒定，設(shè)置不同的密鑰就相當(dāng)于訪問不同的topic，而topic 在出廠時(shí)后臺設(shè)置好后交給用戶，因此使用方便不需要注冊賬號密碼。免安裝、跨平臺、無賬號是該交互程序面向中小學(xué)生實(shí)際情況所達(dá)到的特性。

3.2 PC 端LABVIEW

植物培養(yǎng)箱需要面對多種使用需求，為了便于用戶改裝和更改使用方式，還設(shè)計(jì)了LABVIEW 例程。采用軟件定義儀器的思維，如用戶需要增加定時(shí)或條件啟動某功能，可以自行更改。手機(jī)端和PC 端同樣采用物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)，該設(shè)計(jì)同時(shí)考慮到中小學(xué)生需要的易用性和其它用戶需要的可定制性。

3.3 創(chuàng)新功能

與傳統(tǒng)的植物教學(xué)不同，為了啟發(fā)中小學(xué)生的創(chuàng)新思維和提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ_創(chuàng)性地增加了音波、電刺激、磁場刺激、超聲波、乙烯噴灑功能。這些功能能夠勾起學(xué)生的好奇心，更愿意動手動腦研究，彌補(bǔ)現(xiàn)有教育方式的不足。

JQ6500 模塊內(nèi)預(yù)先燒錄搖滾樂、古典樂、白噪聲、低頻聲、高頻聲，再通過放大電路和揚(yáng)聲器直接在箱體內(nèi)播放。音波刺激植物生長在先前已有實(shí)驗(yàn)，通過本系統(tǒng)可以將實(shí)驗(yàn)規(guī)模擴(kuò)大化，便于學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)尋找不同品種植物最合適的音樂種類以及求證音波本身是否利于植物生長。

為了方便研究乙烯對植物生長的影響，創(chuàng)新性地在箱體內(nèi)設(shè)置了基于超聲波霧化模塊的乙烯噴灑裝置。乙烯無毒，通常噴灑濃度不大于500mg/Kg,利用單片機(jī)延時(shí)來控制超聲波霧化模塊工作時(shí)間，進(jìn)而控制箱體內(nèi)乙烯濃度。該功能相較于原本手動噴壺噴灑，具有準(zhǔn)確度高、全自動的優(yōu)勢，簡化實(shí)驗(yàn)流程。

電刺激功能通過STM32F103C8T6 的定時(shí)器配合查表法產(chǎn)生SPWM 波，再交由RC 積分電路轉(zhuǎn)換成正弦波。先前已有電刺激增加農(nóng)作物產(chǎn)量的實(shí)驗(yàn)，通過直接集成在箱體內(nèi)的方式便于學(xué)生研究電刺激與植物生長的關(guān)系。

為了方便研究低頻交變磁場對植物的影響，設(shè)置了一個非固定的空心線圈管，根據(jù)空心電感計(jì)算公式（2）：

其中線圈直徑d 取50mm，匝數(shù)取500，線圈長度l 取50mm，可得電感值L 為8.493mH。在電源為5v 50Hz 的情況下，最大工作電流2.73A。集成該功能能夠?qū)㈦姶派飳W(xué)這門邊緣學(xué)科帶到學(xué)生身邊，對學(xué)生具有啟發(fā)作用。

考慮到單個16mm 超聲波發(fā)射頭發(fā)射功率較小，無法使實(shí)驗(yàn)對象發(fā)生明顯變化，設(shè)計(jì)為成單個大功率型41mm 發(fā)射頭。驅(qū)動方式采用非門推挽，能夠在發(fā)射頭上產(chǎn)生交流方波，最大程度利用電源電壓。

4 結(jié)束語

本文以STM32F103C8T6 單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器BH1750、CCS811、AHT10，輔以交互程序與LABVIEW，形成了一個完整的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以檢測并控制光照的顏色與強(qiáng)度，空氣的濕溫度與二氧化碳含量，土壤的電導(dǎo)率、酸堿度與溫濕度，以更好的控制植物的生長環(huán)境。并創(chuàng)新性的加入了音波、電刺激、磁場刺激、超聲波、乙烯刺激生長功能。不但增加了中小學(xué)生植物科學(xué)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新性，提高每一次實(shí)驗(yàn)的成功率。