基于Arduino的智能種植助理設計

謝偉健 駱愷翔 李翼宏

關鍵詞：物聯網；Arduino單片機；墑情預測；植物種植；智能澆灌

0 引言

隨著我國經濟水平的提高和消費觀的改變，越來越多的人選擇購買植物進行種植，然而傳統的室內種植都是人工進行澆水，往往不能準確地根據土壤濕度進行種植，且很多人對于植物種植缺乏養護技巧[1]，植物難以存活，或沒有時間澆水導致植物枯死。

目前國內研究方面，袁正宏[2]等人設計一款智能種植硬件，只需要將植物種植在花盆內， 定期對該花盆內的原料和水分進行補充即可讓植物正常生長。國外方面，法國知名公司帕諾特（parrot）公司[3]研發的一款智能種植硬件具有監測光照、溫度、濕度和土壤肥沃程度以及確定這些指標是否有助于植物生長的功能，以及配備儲水箱進行自動澆水。

目前市場上的智能養花硬件雖然有澆水的功能，但澆水的方式是采用定時澆水，產品僅僅是解決了用戶不在家，植物會干死的狀況，并不能讓植物科學化生長，也不能根據植物所需和土壤濕度狀況進行科學化種植[4]。為解決上述問題，保證植物科學生長，該文設計了一種以墑情預測[5]為依據的智能種植硬件，可使土壤墑情保持在植物合適的生長范圍[6]，有利于植物科學生長。

1 系統總體設計

智能種植助理包括智能硬件結構和軟件結構，智能種植助理的核心部分是Arduino Mega2560 R3，該核心獲取傳感器數據，對花盆進行澆水等指令以及通過藍牙模塊與手機軟件進行通信等功能。

2 硬件結構設計

智能種植助理的硬件結構采用ArduinoMega2560 R3為主控，由監測植物數據、提示報警、智能澆水三個模塊組成[5]。監測植物數據模塊下有兩個子模塊：溫濕度監測模塊、土壤濕度監測模塊。兩個模塊將獲得到的數據反饋到手機軟件和屏幕。提示報警模塊和智能澆水模塊根據獲得到的數據進行澆水和提示植物與設備狀態。

監測植物數據模塊可以獲取當前的環境信息，通過單片機內置的判斷程序語句來選擇是否澆水。當符合判斷程序語句時，單片機發出澆水信號，驅動水泵開始澆水，達到智能澆水的目的。

2.1 監測植物數據模塊電路設計

監測數據模塊分為兩個子模塊，其中溫濕度監測模塊采用數字溫度傳感器DHT11，由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件構成。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。土壤濕度監測模塊采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，采用電容感應原理來監測土壤濕度，避免了電阻式傳感器機翼被腐蝕的問題，極大地延長了它的工作壽命[6]。

2.2 智能澆水模塊電路設計

智能澆水模塊由一個2路直流電機驅動模塊、一個直流電機3V的小型抽水泵組成與一個迷你DC-DC 升壓模塊組成。將電機驅動模塊的INx端接控制核心，MOTOR-A端接水泵將電機驅動模塊當成開關使用，且該電機驅動模塊內置帶遲滯效應的過熱保護電路（TSD） ，不用怕電機堵轉燒壞，溫度下降后自動恢復。工作時電池通過升壓模塊給電機驅動模塊輸入5V的供電電壓。當監測植物數據模塊將監測的數據進行分析處理，當符合澆水條件時，主控核心將得到信號，通過I/O口輸出一個高電平使水泵開始工作[7]。

2.3 提示報警模塊電路設計

將監測植物數據模塊獲取的數據以及電壓傳感器獲取電池電壓傳輸到液晶屏模塊，使得可以直接通過屏幕來了解植物當前的信息、環境溫濕度、電池電量等數據[8]。

2.4 按鈕電路設計

本產品操作采用自復式環形燈按鈕。將按鈕模塊連接主控核心，通過對按下按鈕的時間進行監測，傳送給主控核心相應的信號，主控核心再將相應的信號傳遞給對應模塊。

3 軟件結構設計

軟件結構主要是手機軟件客戶端。手機軟件分為植物物種信息查詢和植物生長環境監測兩個模塊。手機軟件與硬件通過藍牙連接，用戶可以在植物物種信息查詢模塊中查詢常見植物的信息。在植物生長環境監測模塊可以查看當前連接植物的生長狀況和環境信息[9]。

3.1 植物生長環境監測模塊

當手機軟件連接上智能種植助理后，就可以實時監測植物當前的環境溫度、濕度、土壤濕度以及電池的電量。這些數值直觀地顯示在頁面上，方便用戶觀察植物的生長環境狀況。

此外在這個界面還會展示當前植物適宜的溫度和濕度。這些數值的顯示采用顏色和填充條來區分，讓用戶可以更加簡單地了解數據。

3.2 植物物種信息查詢模塊

用戶可通過信息查詢功能了解植物的信息，例如科屬、形狀、適宜光照和溫度、澆水的方式等。

4 測試

4.1 硬件測試

通過土壤濕度傳感器采集的數據與墑情預測估計出的澆水下限進行對比，在低于澆水下限后驅動水泵電路執行澆水動作。通過傳感器獲取數據后，讓植物維持在合適的生存環境。

4.2 軟件測試

打開手機軟件界面，連接藍牙后，首頁出現植物信息則為連接成功。用戶可在首頁查看溫濕度、土壤濕度、電量以及植物適宜溫濕度等數據。還可以在查詢功能里查看植物的相關信息。

5 結論

該設計主要研究墑情預測在植物種植當中的應用，提出將單片機與傳統植物種植相結合，開發一款智能種植硬件。該硬件經實際測試，可適用于沒有空閑時間的家庭種植用戶，并且能為植物種植提供便利。該系統功能上還可以進一步整合，例如加入語音模塊實現語音交互控制或采用太陽能供能的方式提供動力，因此后續會在這些方向進行深入研究。