基于STM32及觸摸屏的智能室內種植裝置設計*

許國柱，曾祥蘋，栗 江，吳天明，陳海鋒

(廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州 510925)

0 引言

研究表明：在綠色環境中脈搏平均減少4次/min～8次/min，呼吸慢而均勻，心臟負擔減輕，對神經系統起鎮定作用。所以除室內“硬裝修”之外，越來越多的人開始重視居室的“軟裝修”。“家庭園藝”在城市人們的生活中不斷流行起來。例如：在辦公區域擺上幾盆綠植，足以緩解上班族工作的疲倦；在地鐵、火車站等人流密集場所種植一些花草，既可清新空氣還可放慢人們忙碌的腳步；在家里的陽臺或樓頂等私人領地種種蔬菜和花草，既可陶冶情操還可吃上新鮮健康的蔬菜。

然而，因植物受外界環境氣候的影響，傳統的室內種植方式較難打理且費時費力，已無法滿足現代都市人的基本要求。伴隨著“互聯網+”信息化時代的到來，家庭園藝則被插上了科技的翅膀，將物聯網技術應用于家庭園藝養護系統，使得室內種植變得更加便捷化和智能化，各種現代家庭園藝產品也應運而生，如：種植柜設備、家庭農場、植物墻和紫外線植保儀等。然而，市面上現有的種植柜產品普遍存在體積大、占地面積大和外形單一的問題。本文設計的種植柜采用蜂窩型、模塊化設計理念，種植柜形狀大小可自由調節、外形美觀，且易打理、使用便捷，在家庭園藝產品的微型化、便捷化和智能化發展方面具有一定的實際應用價值。

1 種植裝置外形結構設計

智能種植柜產品早在2018年世界制造業大會上就已出現，然而，通過市場調研發現：目前市面上已有的種植柜產品在結構上普遍采用方形柜體結構(如圖1所示)，適合大面積種植，價格昂貴，且占地面積大，不適合于“家庭園藝”。對此，本文中的種植柜裝置則在外形結構上創新性地采用“蜂窩型”設計，其亮點在于：應用模塊化設計理念，利用正六邊形具有無縫隙穩固重合的特性，選用輕便環保材料，將若干個正六邊形種植框通過卡扣自由組合疊加并掛墻放置(如圖2所示)，因形狀類似于“蜂窩”，故“蜂窩型”種植柜由此得名[1]。該創新性結構設計優點在于用戶可根據個人喜好自由組合疊加種植柜的形狀和大小，既可多個組合掛墻放置，也可單個使用類似于盆栽隨處攜帶和擺放，種植面積靈活可調，外形美觀，垂直種植不占地。

圖1 方形柜體結構種植柜 圖2 蜂窩型柜體結構種植柜

2 種植裝置控制系統設計

單個種植框功能結構如圖3所示。以STM32單片機為主控制器，應用種植海綿作為栽培基質進行無土栽培，水箱中儲存配制好的營養液，一定的營養液儲存可免去每日進行澆灌的麻煩；利用水泵和種植框內壁附著的管道可將營養液運送到種植區向海綿自動噴灑營養液；濕度傳感器可實時檢測海綿濕度，當海綿濕度不足時，由單片機控制水泵向海綿種植區自動噴灑營養液，保證植物生長營養所需；海綿種植區底面設有小孔，可將多余營養液流回水箱，形成供水循環，不易滋生蚊蟲。由LED植物生長燈對植物進行定時照射，可在觸摸屏上自由設置光照強度、光照時間及光照時長，保證植物每日光照需求；溫度傳感器和光照傳感器則負責實時采集柜內溫度及CO2濃度，當柜內溫度及CO2濃度較高時風扇自動啟動，加速柜內外空氣流通，使柜內溫度及CO2濃度保持在植物最適宜生長狀態。整個系統控制可在觸摸屏上進行手動和自動模式切換。

圖3 單個種植框功能結構

2.1 種植裝置控制系統硬件設計

2.1.1 主控制器

主控器選用STM32L052R8T6單片機，超低功耗Arm Cortex-M0+ MCU，具有64 kB Flash存儲器、32 MHz CPU和USB，是一種集高效、強兼容性和價格低廉于一體的微控制器[2-4]。主控制器芯片引腳圖如圖4所示。

圖4 主控制器芯片引腳圖

2.1.2 觸摸屏

觸摸屏作為人機交互界面，可對種植柜內植物生長環境因素(如溫濕度、光照強度和CO2濃度等)進行實時監控，同時可自由設置參數及切換控制模式，使種植柜操作簡單、便捷。此處選用7寸安卓工控一體機RK3288高性能觸摸屏，配有4核1.8 GHz主頻，具有高穩定性、高集成度、高擴展性和高流暢度；支持4G/WIFI聯網和APP定制開發，可按需求定制不同功能的APP應用，使用戶在手機APP上即可輕松實現對種植柜的遠程監控。

在觸摸屏上可顯示當前柜內植物生長溫濕度、光照強度及種植海綿濕度等參數；對于水泵和風扇等執行機構可手動/自動模式切換；光照強度、光照時間及光照時長可根據種植植物種類自由設置，觸摸屏監控畫面如圖5所示。

圖5 種植柜觸摸屏監控畫面

2.1.3 傳感器檢測模塊

種植柜要達到自動控制柜內植物生長環境因素的目的，需要對柜內植物生長環境因素信息進行實時采集，作為輸入給主控制器單片機進行運算處理從而做出決策。此處環境因素采集分別使用了光照強度檢測傳感器、溫濕度檢測傳感器、CO2濃度傳感器和土壤濕度檢測傳感器。

(1) 光照傳感器負責檢測柜內植物光照強度，選用B-LUX-V22型光照傳感器，該傳感器采用ROHM原裝BH1750FVI芯片，光照度范圍0 Lx～65 535 Lx,采用標準I2C通信協議，工作電壓為3.3 V，不區分環境光源，具有接近于視覺靈敏度的分光特性，可對廣泛的亮度進行1 Lx的高精度測定。

(2) 溫濕度傳感器負責檢測柜內植物生長環境溫濕度，選用SHT30防水傳感器，該款傳感器采用高分子PE材料濾芯，保證測量濕度同時濾除灰塵，對高速流動的氣體起到緩沖作用，溫濕度測量結果更準確；此外，這款防水傳感器具有高精度、防水和防塵的特點，可滿足種植柜內溫濕度檢測特殊環境需求，工作電壓為3.3 V。

(3) CO2濃度傳感器負責采集柜內植物生長環境的CO2濃度，選用CJ-102型紅外CO2傳感器，利用非分散紅外吸收原理，內置自動校準算法，高靈敏度、低功耗，提供串口(UART)、PWM等輸出方式，工作電壓為3.3 V；其設計小巧、性能優越、易于安裝，可廣泛適用于空氣凈化器、新風系統、帶凈化功能的空調、空氣品質檢測儀器、汽車以及消費類電子的配套。

(4) 土壤濕度檢測傳感器負責實時檢測種植海綿濕度，此處選用電容式土壤濕度傳感器。該傳感器區別于市面上絕大部分的電阻式傳感器，采用電容感應原理檢測土壤濕度，避免了電阻式傳感器極易被腐蝕的問題，極大地延長了其工作壽命，工作電壓為3.3 V。

2.1.4 電源供電電路

種植柜控制系統以3.3 V和5 V供電為主，此處采用TPS5430電壓轉換器和AMS1117電源穩壓芯片獲得所需電壓，電源供電電路如圖6所示。

圖6 電源供電電路

2.2 種植裝置控制系統軟件設計

種植柜應用智能控制技術實時調節柜內植物生長環境至最適宜狀態，即以單片機為主控制器，通過傳感器實時采集柜內生長環境信息(溫濕度、CO2濃度及光照等)并傳輸給單片機，單片機控制能夠改變柜內生長環境因素的執行機構(風扇、LED植物生長燈、水泵等)產生動作，達到自動調節植物生長環境至最適宜狀態的目的。在觸摸屏上可進行手動和自動控制模式切換，可根據植物種類設置植物生長環境因素的參考值。種植柜控制系統控制流程如圖7所示。

圖7 種植柜控制系統控制流程

3 種植柜防蚊蟲滋生解決方案

因為種植柜內的營養液長期放置在箱內，當植物處于干旱時抽水機必須抽取相應的液體灌溉柜內的植物，箱內的液體都處在相對靜止狀態，也就是說箱內的營養液是一潭死水，時間久了不但容易發臭，同時還容易滋生蚊蟲。為了解決這一問題，我們采用了液體循環裝置，使其箱內液體在單片機控制設定的時間內啟動水泵，配合種植區底面的小孔將多余營養液流回到營養液儲存箱，形成供水循環；循環過程中，其抽取的液體不會經過柜內，也不會因為柜內的水分過量而影響植物的生長，其特點如下：①使液體流動起來，達到給植物創造更加舒適生長環境的目的；②通過循環，可以在一定程度上增加箱內的水汽；③使得營養液的養分能夠被植物更好地吸收；④種植棉與營養液循環裝置，雙重防護讓蚊蟲無處滋生，營造更好的室內綠植種植環境。

其次，專門為營養液儲存箱增添了防蚊蟲滋生內盒設計(如圖8所示)，該內盒可將植物與營養液隔離，使得蚊子無法接觸到水面，防止蚊蟲滋生。

圖8 防蚊蟲滋生內盒

4 實物模型

在上述研究的基礎上，建立了種植柜實物模型，如圖9所示。

圖9 種植柜實物模型

5 結束語

當今社會，隨著“家庭園藝”在人們生活中的不斷流行，研發更加智能化、小巧化、便捷化的室內種植裝置將成為未來熱點。本文設計的智能室內種植裝置在外形上采用模塊化、蜂窩型可拼裝設計，種植面積和形狀大小可調，方便收納、不占地；且可在手機APP遠程監控，易打理、使用便捷，符合普通家庭用戶對室內種植的期望。相信在不久的將來，本產品的問世將會受到人們的青睞。