基于Android 手機(jī)遙控的遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)

呂春曉，栗碧悅

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西晉中 030801；2.上海理工大學(xué)光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

隨著人們生活品質(zhì)的不斷提高，很多家庭通過養(yǎng)殖花卉來凈化室內(nèi)空氣，美化室內(nèi)環(huán)境。花卉的養(yǎng)殖需要主人精心的照料，所以一旦遇到花卉主人需要出差、旅行時，花卉的照料就成為一個問題[1]，因此設(shè)計一款遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)就顯得尤其必要[2]。

在過去的幾年里，出現(xiàn)了很多智能澆花系統(tǒng)的設(shè)計[3]，這些系統(tǒng)大都基于WIFI 及藍(lán)牙控制[4]，其控制距離短，雖然使?jié)不ǜ颖憬莸荒芙鉀Q出差旅行時對于花卉的照料。而對于遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)[5]，其設(shè)計的控制終端一般都為電腦[6]，電腦體積大，質(zhì)量重，不易攜帶。而手機(jī)具有便攜性和易操作性，因此該設(shè)計開發(fā)一款智能手機(jī)APP 控制的通過GPRS傳輸?shù)倪h(yuǎn)程澆花系統(tǒng)，可以使用戶能夠更加便捷地對花卉進(jìn)行管理與照料。

1 遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)的總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用STM32 作為主控芯片，首先由溫濕度傳感器采集花卉的土壤信息和環(huán)境信息并上傳給STM32，STM32 對該數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理判斷，從而控制澆花模塊的工作狀態(tài)，并由顯示模塊顯示采集到的環(huán)境參數(shù)。同時STM32 將該信息通過SIM800C 上傳至服務(wù)器，手機(jī)端通過設(shè)計的APP 訪問該服務(wù)器，從而實現(xiàn)用戶對于花卉信息的查看，同時手機(jī)APP也可通過服務(wù)器將控制信號傳輸給SIM800C，再由SIM800C 將控制信息通過串口傳輸給STM32 從而控制澆花模塊的工作。該系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計框圖

2 遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該系統(tǒng)的硬件電路以嵌入式芯片STM32 為主控端，通過傳感器采集土壤濕度和環(huán)境溫濕度。STM32將采集到的信息進(jìn)行讀取和判斷，在LCD 上顯示，并通過控制繼電器的開關(guān)來控制水泵的工作，同時STM32 需要利用串口完成與SIM800C 芯片的數(shù)據(jù)通信。

2.1 溫濕度檢測模塊

該模塊的主要任務(wù)是測試土壤的濕度以及空氣的溫濕度，其中測試土壤濕度的傳感器選用的是電容式土壤濕度傳感器[7]。該傳感器穩(wěn)定性好，且可直接插入土壤，不易被腐蝕，可以在-10～60 ℃的溫度下使用，其工作電壓為3.3～5.5 V。該傳感器有三個引腳，分別為電源、接地和輸出引腳；其中輸出引腳輸出模擬信號0～3 V。該引腳接STM32 內(nèi)部ADC 的模擬輸入口PA1。輸入的模擬信號用STM32 內(nèi)部的ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號從而計算出其濕度值。其電路圖如圖2 所示。

圖2 土壤濕度傳感器電路圖

測試空氣溫濕度的傳感器選用的是數(shù)字型傳感器DHT11，該傳感器為溫濕兩用的傳感器[8]。可測的濕度范圍為5%～95%RH，測量精度為±5%RH，可測溫度范圍為-20.0～+60.0 ℃，測量精度為±2 ℃，工作電壓為3.3～5.5 V，輸出為40 bit 的串行數(shù)字信號，其中低8 位為校驗位，8-23 位為溫度的整數(shù)和小數(shù)的數(shù)據(jù)，24-39 位為濕度的整數(shù)和小數(shù)數(shù)據(jù)。該傳感器有三個引腳，分別為電源VDD、接地引腳GND 和輸出引腳DATA，其中電源引腳VDD接+5 V電源，GND引腳接地，其輸出引腳DATA 輸出數(shù)字信號到STM32的I/O 口PA6，STM32 根據(jù)其 傳入的40 bit數(shù)字信號求得相應(yīng)的溫濕度的值。其電路圖如圖3 所示。

圖3 空氣溫濕度傳感器電路圖

2.2 澆花模塊

該模塊的主要任務(wù)是根據(jù)STM32 發(fā)出的指令，控制繼電器的開斷，從而控制水泵的工作[9]。其電路圖如圖4 所示，當(dāng)PA10 輸出信號0 時，三極管工作在放大狀態(tài)，繼電器導(dǎo)通，電機(jī)工作開始澆花。圖中二極管為續(xù)流二極管，其作用是保護(hù)三極管不被損耗，在電路工作時可緩慢釋放掉繼電器線圈內(nèi)生成的反向電動勢。

圖4 澆水模塊電路圖

2.3 通信模塊

該模塊的作用是STM32 通過SIM800C 將溫濕度信息傳輸出去[10]。SIM800C 為SIM 公司于2015 年生產(chǎn)，其工作電壓為3.4～4.4 V，可利用天線采用GPRS技術(shù)進(jìn)行無線通信，支持AT 指令控制。STM32 的串口通過AT 指令來控制SIM800C 模塊的相應(yīng)動作[11]，STM32 可通過“AT+CPIN=“TCP”等實現(xiàn)遠(yuǎn)程連接，具體指令如表1 所示。

表1 AT指令表

該模塊分為通信電路和SIM 卡的ESD 防護(hù)電路。SIM800C 模塊與STM32 利用串行通信進(jìn)行信息傳輸，由于電路需要進(jìn)行3.3V 的電平匹配，需要在STM32 的RXD/TXD 引腳上外接一個1 kΩ的電阻，其電路圖如圖5 所示。

圖5 SIM800C與STM32的通信電路圖

GPRS 模塊的正常使用需要SIM 卡作為物理介質(zhì)，生活中使用SIM 卡時會經(jīng)常插拔，這就使得卡難免會觸及到ESD 產(chǎn)生源發(fā)生掉卡現(xiàn)象[12]。因此把ESD 保護(hù)器件工作設(shè)計在參數(shù)的極限附近，該設(shè)計盡量選擇反應(yīng)速度極快、靈敏性高的元器件，避免了在強(qiáng)干擾的環(huán)境下發(fā)生SIM 掉卡的情形，有效地保護(hù)了器件，因此在SIM800C 模塊中設(shè)計有SIM 卡的ESD 防護(hù)電路。其電路圖如圖6 所示。

圖6 SIM卡的ESD防護(hù)電路

2.4 DC-DC電路設(shè)計

STM32 的工作電壓為3.3 V，所以電路要進(jìn)行降壓處理，AMS1117 電源穩(wěn)壓芯片是5 V 轉(zhuǎn)3 V 電路中使用最簡單有效的芯片，但是該芯片降壓后會有較大的紋波[13]，所以在設(shè)計時加入0.1 μF 的瓷片電容，用來濾除電路中的高頻信號得到穩(wěn)定的電源，其降壓圖如圖7 所示。

圖7 5 V-3.3 V的降壓電路圖

SIM800C 模塊的工作電壓為4 V,因此SIM800C的電源端也需要搭建降壓電路，將5 V 的電壓降到4 V，該降壓電路常用的芯片為MIC29302WU，該芯片是一個低成本、高精度的電壓調(diào)節(jié)器[14]，其降壓電路圖如圖8 所示。

圖8 5 V-4 V降壓電路圖

3 遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)軟件的設(shè)計

3.1 STM32內(nèi)部程序設(shè)計

STM32 作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)信息的采集和控制水泵澆花。上電后，對系統(tǒng)時鐘、I/O口、定時器等初始化，傳感器將采集的土壤信息和環(huán)境信息傳給STM32 時，STM32 將該土壤濕度的模擬信號通過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。同時從DHT11 傳入的數(shù)據(jù)中提取環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)。并判斷采集的濕度是否超過閾值從而控制水泵是否工作。同時將采集的數(shù)據(jù)傳送給SIM800C，由SIM800C 傳送到服務(wù)器，再由服務(wù)器傳送到手機(jī)終端。手機(jī)終端根據(jù)傳來的數(shù)據(jù)發(fā)送控制信號。控制信號通過SIM800C 傳輸?shù)絊TM32來控制水泵的工作。其流程圖如圖9 所示。

圖9 STM32程序流程圖

3.2 服務(wù)器的連接

STM32 通過服務(wù)器與手機(jī)終端連接，因此在設(shè)計中要進(jìn)行服務(wù)器的連接，SIM800C 模塊通過花生殼軟件與服務(wù)器通信。在電腦端下載花生殼軟件，并進(jìn)行賬號注冊，登錄賬號進(jìn)行IP 設(shè)置。設(shè)置成功后打開網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手，設(shè)置本地主機(jī)地址與花生殼軟件的內(nèi)網(wǎng)主機(jī)地址相同，點擊連接，同時檢測SIM800C 模塊是否把參數(shù)上傳到服務(wù)器上，其測試圖如圖10 所示。

圖10 網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手測試圖

3.3 Android端的程序設(shè)計

目前大部分智能手機(jī)都為Android 系統(tǒng)，且Android 系統(tǒng)具有開源性，因此它受到了大批軟件開發(fā)人員的青睞[15]。目前最常用的Android 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為Android Studio，其具有功能豐富的模擬器和強(qiáng)大的布局編輯器，在開發(fā)軟件時，可方便快捷地搭建開發(fā)環(huán)境[16]。因此在該設(shè)計中利用軟件Android Studio進(jìn)行Android端APP的開發(fā)。該APP使用JAVA語言進(jìn)行開發(fā)，并利用Android Studio 作為Android 端APK 的編程工具。其主要顯示澆花系統(tǒng)各部分的狀態(tài)及花卉的溫濕度，并設(shè)置控制端控制水泵的工作。

在創(chuàng)建主界面前，先開啟Activity 子類，并在繼承類中重寫oncreat()方法，這時可以使界面進(jìn)入到監(jiān)聽狀態(tài)。該APP 的登錄功能主要通過EditText 控件、TextView 控件等實現(xiàn)。在登錄該APP 時，首先要對服務(wù)器進(jìn)行配置和連接，用戶在配置服務(wù)器時需要輸入花生殼軟件設(shè)置的IP 地址和端口號。配置成功將提示“配置成功，請連接服務(wù)器！”，最后再點擊“連接服務(wù)器”，連接成功將提示“服務(wù)器連接成功”。相關(guān)內(nèi)容如圖11 所示。

圖11 手機(jī)端連接服務(wù)器

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

將電容式土壤濕度傳感器插入土壤，DHT11 放在空氣中，打開電源。打開串口助手，設(shè)置串口的串口號和波特率，并設(shè)置IP 地址和端口號。設(shè)置完成后打開串口，這時對話框提示“串口已打開!IP 設(shè)置成功!端口號設(shè)置成功”，如圖12 所示，表明硬件電路已經(jīng)連接好。同時在LCD 顯示屏上顯示空氣溫濕度，土壤濕度及水泵開關(guān)狀態(tài)的信息，如圖13 所示。

圖12 串口參數(shù)的配置

圖13 硬件調(diào)試實物圖

4.2 軟件調(diào)試

硬件電路調(diào)試完成后，上位機(jī)軟件與其連接成功，在所設(shè)計的手機(jī)APP 上輸入服務(wù)器端的端口號和IP 地址。當(dāng)出現(xiàn)“服務(wù)器連接成功”的提示后表示連接成功，這時用戶可以根據(jù)需求查看環(huán)境參數(shù)及控制水泵的工作狀態(tài)，工作時長及設(shè)置系統(tǒng)處于自動模式下的閾值。根據(jù)測試該系統(tǒng)達(dá)到了遠(yuǎn)程澆花的目的，且運行穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)是基于STM32 為控制芯片制作的一款遠(yuǎn)程澆花系統(tǒng)，通過SIM800C 芯片進(jìn)行通信，與傳統(tǒng)的藍(lán)牙和WIFI 相比具有永遠(yuǎn)在線，傳輸距離不受限制等特點；且制作了一款手機(jī)APP 監(jiān)控該澆花系統(tǒng)，與原有的SIM 傳輸?shù)亩绦畔⒅噶羁刂葡啾雀又庇^、快捷、方便。該系統(tǒng)可以發(fā)展應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)中，實時監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫度和濕度，在農(nóng)業(yè)灌溉中，具有廣闊的應(yīng)用前景。