智能家庭植株養護系統

布乃波，張成文，宋曉薇，王 軒，陳 星，孫軼男

（哈爾濱理工大學 榮成學院，山東 威海 264316）

0 引 言

生活中，養護植物常常被人們作為一種生活消遣的方式，不僅能愉悅心情，還能凈化空氣。但人們經常因為工作和生活繁忙而疏于對植物的照料，或養護方法不正確導致植物枯萎[1]。傳統的植物養護裝置使用限制大、智能程度低，需要人們花費更多的時間精力。為此，本文考慮設計一種智能系統來提高家養植物的成活率。通過HC05 藍牙串口模塊與手機APP 結合，達到解放人力的目的。

1 研究目的

家養植物有許多優點：美觀、凈化空氣、緩解人們的精神壓力。但家養植物種類繁多，每一種植物都有自己的生長習性，因此需要養花人精心照料去提供適宜生長的不同條件。為此人們常常會自己動手制作一些簡易的裝置，但作用有限，仍然需要花費大量的時間來照料植物。目前，市面上也出現了一些輔助裝置，但是因為其較為簡單，不能根據天氣等因素的變化對植物養護環境進行實時調控，不能完全滿足植物的生長需求。因此，亟需一款更加智能化的植物養護裝置輔助養護人去照料植物。

智能家庭植株養護裝置因具有使用方便、測量精準、適用范圍廣的特點，可輔助養護人對植物所需的各項條件進行精準把控，以及在人員缺失的條件下自主完成對植物的養護。

智能家養植株養護系統是將溫濕度檢測、光強度檢測、藍牙通信等多種技術融為一體的設計，具有使用方便、測量精準、適用范圍廣等特點。該系統還可以作為高校教學的實踐案例，學生在掌握課上知識的基礎上加以拓建，了解并學習各部分元器件的適用范圍及使用方法，通過創新性的方法將各器件進行組合，充分鍛煉學生的創新能力和實踐能力，這對于培養新工科背景下的人才具有重要作用[2]。

2 傳統裝置分析

2.1 非智能化裝置

在家庭植物養護過程中，一些頗具動手能力的人親自動手制作了一些材料獲取方便、制作簡單的小型種植輔助裝置，如圖1 所示，這是目前市面上最常見、使用最廣泛的裝置。但是這種裝置的局限性也很明顯，僅適用于需水量較大的植物，且盛水容器容量不能太大或太深，太大則植株有可能受淹，過深則植株根部有可能汲取不到水分；而且如果長時間將根部浸泡在水中，對于需水量不是很大的植物，非常容易造成爛根的問題。

圖1 非智能化裝置

2.2 WiFi 控制水泵

圖2 所示的裝置設計了WiFi 模塊，用戶可以自行控制何時需要對植物進行澆水處理，同時用戶不必靠近水源便可以對植株進行澆水。但此項裝置的缺點也很明顯：一是水源與220 V 家用電壓直接連接，非常容易造成短路，有著一定的安全風險；二是用戶需要親自觀察植物，然后自行決定是否進行澆水；三是功能單一。

圖2 WiFi 控制水泵

2.3 定時澆水器

目前市面上還有一種應用于戶外的定時澆水裝置，如圖3所示，通過裝置的表盤我們能夠很清楚地了解使用方法，它的缺點是無法根據實時的環境狀況來調節預先設置的變量。

圖3 定時澆水器

3 總體設計

本系統以STM32F103ZET6 單片機為核心，通過電源接口來使整個驅動電路正常工作[3]，通過HC05 藍牙串口模塊連接手機APP，使用DHT11 數字溫濕度傳感器和光敏傳感器實時采集所在環境的溫濕度和光照，利用風扇、霧化驅動板和LED 燈來實時調節，并將設定值和實際值的數據顯示在LCD顯示屏上。通過手機APP 頁面的按鍵可以設定溫濕度和光照值，還可以通過網頁搜索培養方案。系統主要器件如圖4 所示。

圖4 主要器件

用戶通過按鍵設置光照與溫濕度的值，與傳感器檢測到的信息一并傳遞給單片機主控電路進行數據處理[4]。用戶可以提前為所需要照料的植株設置最適宜生長的環境條件；當各項條件設定完成之后，單片機開始借由溫濕度檢測模塊、光照感應模塊等采集到的信息，自動與用戶自行設定的信息進行對比。當濕度過低時，會自動控制水泵向植株補充水分；當濕度過高時，會自動控制通風裝置，加大空氣流動以便水分快速蒸發。當日照強度減弱或低于用戶所設置的參數時，芯片會自行控制補光器對植株進行補光。在裝置工作期間，傳感器采集到的所有信息都會在屏幕上實時顯示，以便用戶自行決定是否要對具體的各項參數進行更改。

4 主要模塊功能

4.1 STM32 單片機

STM32F103ZET6 是一款基于ARM Cortex-M3 內核的高性能、低成本的微控制器。它的主要特點包括32 位的閃存存儲器、低功耗和低電壓操作，以及實時功能的高性能集成。STM32 單片機硬件資源極為豐富，擁有2 個串口、多個IO口用以擴展[5]。

4.2 DHT11 溫濕度傳感器

DHT11 數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括能與高性能8 位單片機相連的1個電阻式感濕元件和1 個NTC 測溫元件。采用了專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，能夠確保其具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性。該傳感器具有成本低、性能穩定、響應超快、抗干擾能力強、數字信號輸出、精確校準等優點[6-8]。

4.3 藍牙HC05

藍牙HC05 模塊具有靈敏、易于開發且性價比高等優點，與單片機接口簡單，體積小，指令簡潔，且僅有6 個管腳，管腳間距為2.54 mm，焊接方便[9]。

4.4 LCD 觸摸液晶屏

模塊使用高分辨率霧面A 規TFT 屏，分辨率為480*320，視角廣，顯示細膩，不刺眼；使用鋼化玻璃電阻式觸摸屏，不易損壞，抗干擾能力強。通過2*17 排針同外部連接，采用MUC 接口的16 位80 并口驅動方式[10]、SPI觸摸屏接口、集成觸摸芯片，能夠很好地滿足本設計需求。手機APP 及顯示屏展示如圖5 所示。

圖5 手機APP 及顯示屏展示

5 結 語

經過測試發現，本文設計的系統能夠完成光強和溫濕度參數的測量和調整，藍牙模塊正常工作，可以直接通過手機APP 設定。本設計綜合運用傳感器信號處理、自動控制、物聯網等技術，通過單片機將溫濕度傳感器、光線傳感器、藍牙控制等有機結合起來，根據用戶提前設定的要求，裝置可以自動完成對植株的養護。本設計具有一定的實用性，能適應多種模式的應用場景，具備可拓展性，發展前景良好。