基于WiFiduino 與Blinker 的智能澆花系統設計

武瀟

（吉林化工學院 信息與控制工程學院，吉林吉林，132000）

0 引言

在社會經濟快速發展的背景下，人民生活水平和生活條件都有了顯著改善，對住房環境和生活質量都有了更高的要求。在家里或者辦公室種植花卉也成了大多數人提高生活品質的選擇，既可以豐富生活，還可以美化環境。但是由于缺乏經驗，人們常常用自己的經驗或者主觀地給花盆里補水，當人們出差或者旅行時，家中花卉就會沒有人照顧。智能澆花系統不僅可以精準控制澆花的時間，還可以精確控制澆水的量。在忙碌的生活中，人們往往需要一個智能澆花系統，可以在他們離家時智能管理室內的花卉。智能澆花系統不僅解決了花卉的管理問題，也實現了人們追求綠色健康生活方式的理念。

1 系統總體方案設計

本系統集成了主控電路、繼電器控制單元、無線網絡通信單元、電源轉換電路和人機交互單元五部分。通過DHT11 溫濕度傳感器和YL-69 土壤濕度傳感器檢測花卉生存環境的溫度，濕度和土壤的濕度。傳感器收集的數據經過A/D 模數轉換輸入到WiFiduino 控制系統中，控制系統經過ESP8266 無線通信模塊上傳到公共云平臺和手機APP Blinker，再通過手機APP Blinker 顯示給了用戶識別，使用戶可以通過移動設備實時觀察環境數據。

需要智能澆花系統位于WiFi 局域網內，將使用WiFiduino 中的ESP8266 WiFi 模塊通過路由器導入云服務器端，發送數據欄數據到云服務器端并保存，同時以云服務器端顯示設計應用程序。用戶可以由手機APP Blinker 開發的應用程序頁面，查看花卉當前生存環境的溫度，濕度和土壤的濕度。同時用戶可以通過在手機APP Blinker 上設置開關按鈕進行遠程控制澆花的操作，利用這種方法能實現對花卉生長環境的調整。

2 硬件設計

■2.1 控制系統設計

WiFiduino 是一款以ESP8266 為核心的開發板，WiFiduino 在現有的Arduino 控制器之上提供WiFi 支持，相當于Arduino 和ESP8266 的復合板。

我們可以將無線通信模塊和Arduino UNO 組合在一起，實現將Arduino 連接到互聯網，然而這樣使硬件部分復雜且昂貴，而且還要創建和管理Arduino 和WiFi 部分的通信邏輯。所以在對比各種開發板之后我選擇了WiFiduino，它支持WiFi 通信的新型Arduino 兼容開發板。WiFiduino是一個開源硬件和軟件平臺，用于電子原型設計，其中有WiFiduino 板和 Arduino IDE，以及類似于 Java、C/C++和其他語言的開發環境[1]。WiFiduino 可使用 USB 連接電腦進行供電，也可使用 AC 適配器進行外部供電。WiFiduino上有 6 個模擬輸入口和 14 個數字 IO 口，使用者可根據需要接入數字輸入輸出口或模擬輸入輸出口。Micro usb 數據線可以給WiFiduino 供電，也可以往WiFiduino 板中下載程序。

■2.2 ESP8266 WiFi 模塊

考慮到使用智能澆花系統的場景和中國 WiFi 的普及情況，本文選擇 ESP8266 WiFi 模塊發送和接收數據信息。不過本系統不需額外外接ESP8266 WiFi 模塊，WiFiduino 開發板的核心就是以ESP8266 WiFi 模塊。ESP8266 WiFi 模塊使用IEEE 802.11 系列無線通信協議，允許Arduino 通過系列端口進行通信。如圖3 和圖4 所示。

■2.3 溫濕度傳感器模塊

采用集成微芯片的DHT11 作為溫濕度傳感器，它能將電阻濕度傳感器元件和NTC溫度傳感元件集成到傳感器中，能檢測傳感器內集成的NTC 測溫元件和電阻式感濕元件，可以發出數字信號[2]。DHT11 優勢有以下幾點：

（1）傳輸數據僅靠單線，需要使用的I/O 口較少。

（2）已經于出廠的時候校準輸出數字信號，所以數據信息精度高，易于處理。

（3）功耗低，抗干擾能力強，信號傳輸遠距離。

可檢測范圍：溫度0°C～50°C（誤差：±2°C），濕度20%～95%RH（誤差：±5%RH），它的檢測范圍不是很大，但普通情況下已經夠用。在選擇產品時，備選的還有一個SHT75 溫濕度傳感器，它的優勢是精度高，檢測范圍大，可檢測到溫度-40°C～123.8°C（誤差：±0.3°C），濕度0～100%相對濕度（誤差：±相對濕度1.8%）[3]。它的劣勢是操作復雜，價格昂貴。最后，在各方面對比之下，在符合系統功能要求的基礎之上，本文選擇的溫濕度傳感器為DHT11 溫濕度傳感器，如圖5 所示。

■2.4 土壤濕度傳感器模塊

選取YL-69 土壤濕度傳感器，它有鍍鎳表面，增加了導電性，而且在現場與土壤接觸時可以防止氧化。YL-69 土壤濕度傳感器輸出土壤數據有以下兩種方法：

首先，對準D0 連接器將高電平和低電平輸出，土壤濕度閾值也可以調整。順時針調整3362 電位器，濕度會越來越大；逆時針調整，濕度會越來越小[4]。端口可以用芯片直接連接到單片機上，開發板評估土壤的濕度方法是根據輸出的高低電平。

另外，通過AD 轉換，對A0 口模擬接收的采樣的方法是ADC，能獲取更準確的土壤水分值，本文用到這種設計方法，如圖6 所示。

如圖6 所示，WiFiduino 板收集土壤濕度傳感器 AO 口輸出的模擬電壓，并且會通過 ADC1 不同的數據通道分別檢測不同花盆的土壤濕度。

■2.5 繼電器控制模塊

傳輸電路必須設計為通過繼電器繞組傳導大電流（約50 mA），這樣繼電器內的線圈才能吸合。該系統的工作原理是使用NPN 型三極管為繼電器提供較大電流。圖7 為繼電器的驅動電路。

3 軟件設計

■3.1 系統軟件設計

在設計系統時，需要進行硬件設計，同時軟件編程也很重要。在本系統中，不僅有單芯片微控制器用作控制器，還有無線通信模塊，因此在選擇編程軟件時要反復斟酌。有許多適用于開發板的軟件編程平臺，例如Keil 等。智能澆花系統軟件編程平臺選擇了Arduino IDE。

Arduino IDE 不僅具有了基本的編程語言所需要的基本環境，同時還包含了所有的WiFiduino 硬件開發版所需要的編譯程序與交互軟件。使用者在通過 Arduino IDE 編譯程序時首先將其語言轉換為 C++程序語言，Arduino IDE 擁有創建WiFiduino 板所需的所有編譯器和交互式軟件，以及主要編程語言所需的基礎環境。當用戶使用 Arduino IDE構建應用程序時，最開始使用為C++編程語言，然后使用avr-gcc（avr-gee 是專門為運行在 Gnu-C 編譯器上的 AVR處理器設計的開源編碼器）檢測整個編譯語言并從WiFiduino 控制面板運行它，寫出一組二進制代碼用來操控硬件裝置[5]。這頁二進制代碼通過計算機側面的USB 接口下載到WiFiduino 內存中，在那里進行處理并最終存儲。圖8 顯示Arduino IDE 編譯環境界面。

■3.2 手機APP blinker 開發

手機APP blinker 是用于實現用戶和硬件之間人機交互和實現遠程控制的必要設備，APP 界面可以顯示實時參數、濕度異常報警、灌溉條件評估，手動澆花確認等。手機軟件的設計是使用應用程序Blinker 完成的。

手機APP Blinker 有以下功能：（1）顯示實時環境數據信息。可以顯示溫度、濕度和土壤濕度數據信息，使用戶可以在手機APP Blinker 界面觀察實時環境數據信息。可視化環境參數（2）滿足預定的澆花條件時警告。溫度、濕度達到預設下限時，在Blinker 界面給一個溫濕度異常警告。（3）手動澆花管理。依靠人工經驗和實時數據，操作手機APP Blinker 實現手動澆花。（4）定期澆水。可以設置在手機APP Blinker 頁面的定時任務中，設置定期澆水。

在移動應用程序開發中，Blinker 允許開發人員自定義應用程序管理界面。Blinker 還為遠程物聯網提供方便、易于使用的解決方案，此設計具有較好的可擴展性。使用自帶開發工具的APP 和互聯網，可以設計個性化的手機APP 頁面。用戶可以在移動應用設備的應用程序頁面上遠程查看系統信息。

4 實驗結果

智能澆花系統，是由WiFiduino 開發板為核心的控制電路，傳感器電路和其他硬件電路一起組成的設備。系統根據與設定好的溫度和濕度值進行對比，在超過設定值時實現自動澆花。同時可以通過手機APP Blinker 實時觀測花卉生長環境參數，其監測界面效果圖如圖 9 所示。

如圖11 所示，系統可以實時監測土壤濕度，當傳感器檢測到濕度水平降至定義的下限以下時，繼電器控制水泵開始工作給花卉澆水。

圖1 系統總體設計

圖2 WiFiduino 開發板

圖3 ESP8266 模塊穩壓電路

圖4 ESP8266 模塊硬件電路

圖5 DHT11 數字溫濕度傳感器電路

圖6 YL-69 土壤濕度傳感器電路

圖8 Arduino IDE 編譯環境界面

圖9 手機APP 子頁面

圖10 系統軟件程序

圖11 系統硬件實物連接圖

5 小結

智能澆花系統可以根據不同植物的習性特點（如種類、生長期、需水量等）設計不同的澆灌方案，適時適量地澆灌植物，既能滿足植物正常生長的需水要求，同時又不至于讓土壤濕度過大，提高植物對灌溉水利用率，此外還可以節省人力。

本系統可以實現智能澆灌：當土壤濕度傳感器檢測到盆栽植物達到臨界缺水狀態時，智能控制終端收到請求信號后，按需求水量進行補水，實現系統智能澆灌。也可以實現手動澆灌：用戶可以通過手機APP 頁面實時查看盆栽植物的溫濕度，也可以通過手機APP 實現遠程手動控制盆栽植物的澆灌。