基于Wi-Fi的多點位智能澆花系統設計

摘" 要：文章研究了現代生活中養花活動的需求，報告了花卉養護中遇到的定時澆水問題現狀，并針對忙碌生活節奏導致的花卉管理不便進行了調查。在此基礎上，設計了一套基于Wi-Fi通信的多點位智能澆花系統，該系統由ESP32、ESP8266主控，能夠同時滿足多點位多花卉土壤濕度監測控制的需求。系統以土壤濕度傳感器和水位傳感器作為感知層，通過Wi-Fi通信模塊與阿里云平臺進行數據和指令的傳輸，使用MQTT協議實現信息交換，并通過阿里云Studio生成用戶端APP，以實現對花卉土壤濕度的智能化管理和遠程實時監控。該系統不僅為花卉養護提供一種自動化和智能化的解決方案，還展示了物聯網技術在智能家居領域的應用潛力。

關鍵詞：Wi-Fi；多點位；智能澆花

中圖分類號：TP311" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）24-0147-06

Design of Multi-point Intelligent Flower Watering System Based on Wi-Fi

ZHANG Tao， DING Yongxian

（Yinchuan University of Energy， Yinchuan" 750100， China）

Abstract： This paper studies the needs of flower growing activities in modern life， reports the current situation of regular watering problems encountered in flower conservation， and investigates the inconvenience of flower management caused by the busy pace of life. On this basis， a set of multi-point intelligent flower watering system based on Wi-Fi communication is designed， which is controlled by ESP32 and ESP8266 and can meet the requirements of soil humidity monitoring and control of multi-point and multiple flowers at the same time. The system takes the soil humidity sensor and water level sensor as the sensing layer， transmits data and instructions through the Wi-Fi communication module and Ali Cloud platform， uses MQTT protocol to realize information exchange， and generates client APP through Ali Cloud Studio， so as to realize intelligent management and remote real-time monitoring of flower soil humidity. The system not only provides an automated and intelligent solution for flower conservation， but also demonstrates the application potential of the Internet of Things technology in the field of smart home.

Keywords： Wi-Fi; multi-point; intelligent flower watering

0" 引" 言

隨著現代生活節奏的加快，人們往往忙于工作和社交，無暇顧及家中或辦公室的綠植養護。智能澆花系統應運而生，通過自動定時和定量澆水，為植物提供恰當養護，大大節省了人力和水資源[1]。與傳統手動澆水相比，智能系統能根據植物需求和環境濕度進行精準灌溉，避免浪費，與節能環保理念相符[2]。物聯網技術的發展助推了智能家居的普及，其中包括基于Wi-Fi的多點位智能澆花系統，這一系統因其便捷智能的特性，展示了廣闊的市場潛力。其研發不僅促進技術進步，也為農業智能化和生態城市建設等領域提供了實踐案例和技術支持，加深了科技與應用的融合[3]。

1" 系統總體設計方案

本系統主要以水位傳感器、土壤濕度傳感器作為感知層終端，傳輸層使用ESP8266和ESP32芯片，兩款芯片內嵌Wi-Fi通信模組通過MQTT協議與開源的阿里云平臺進行通信，將數據傳輸至應用層人機交互界面網頁終端，網頁端與手機APP端遠程交互，實現對花盆信息的實時檢測與遠程控制，并以物聯網傳輸技術將信息匯總至頂層數據庫終端，實現對花盆信息的有效采集與存儲。花盆濕度監測閾值支持自定義，水閥會根據設置的閾值執行開關功能，實現自動化澆花控制；在手機APP端可以隨時開關水閥，監測花盆濕度數據，實現智能化交互。系統總體設計框圖如圖1所示。

1.1" 集中式多點位智能澆花系統硬件設計

集中式多點位智能澆花系統硬件部分主要以1個滴液式水位傳感器和5個電容式土壤濕度傳感器作為感知層終端，傳輸層使用開發板內置的Wi-Fi通信模組通過MQTT協議與開源的阿里云平臺進行通信，將數據傳輸至應用層人機交互界面APP終端，如圖2所示。

1.2" 分散式多點位系統硬件設計

分散式多點位智能澆花系統硬件部分主要以1個電容式土壤濕度傳感器作為感知層終端，傳輸層使用開發板內置的Wi-Fi通信模組通過MQTT協議與開源的阿里云平臺進行通信，將數據傳輸至應用層與集中式多點位智能澆花系統同一人機交互界面APP終端，如圖3所示。

2" 系統硬件選型

2.1" 開發板與拓展板

集中式多點位智能澆花系統選用ESP-WROOM-32開發板，內含Xtensa@雙核32位LX6微處理器，具備強大的處理能力和大容量RAM、Flash存儲。分散式多點位智能澆花系統選用ESP8266MOD-D1mini開發板，內含ESP-12F微處理器。HUA-ESP32拓展板（30P）是一款基于HUA-ESP32主板配套使用的擴展板。它為原ESP-WROOM-32開發板提供了更多接口與引腳。

2.2" 水位傳感器

本系統采用了Water Sensor滴液式水位傳感器，它是一款簡單易用、性價比較高的水位/水滴識別檢測傳感器。傳感器通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量其水滴/水量大小從而判斷水位。輕松完成水量到模擬信號的轉換，輸出的模擬值可以直接被開發板讀取，達到水位監測的功效。

2.3" 土壤濕度傳感器

本系統采用了Risym廠家所生產的電容式土壤濕度傳感器，這款電容式土壤濕度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，極大地延長了它的工作壽命。傳感器內置穩壓芯片，支持3.3～5.5 V寬電壓工作環境。通過監測到不同的濕度輸出不同的模擬數值，完成土壤濕度到模擬信號的轉換，輸出的模擬值可以直接被開發板讀取，達到土壤濕度監測的功效。

2.4" 電磁水閥

本系統選用路昂12 V常閉式電磁水閥，該水閥在通過12 V直流電時，內部電磁線圈產生磁力將阻水閥打開，水流通過。無電流通過時阻水閥關閉，水流阻斷。

2.5" 水泵選型

本系統選用了兩款水泵，育松電子直流3～5 V臥式小潛水泵用于分散式多點位智能澆花系統的花盆澆水。眾誠12 V微型抽水泵用于集中式多點位智能澆花系統的蓄水池供水。

2.6" 顯示屏

本系統選用林信世紀0.96寸OLDE顯示屏。分辨率為64×128，能顯示8 192個像素。使用3.3 V直流供電。

3" 軟件設計

3.1" 軟件設計總體架構

Wi-Fi通信模組通過MQTT協議與阿里云平臺進行通信，可以實現對蓄水池水位、花盆土壤濕度的實時監測與遠程控制水泵、水閥[4]。單片機上電后，Wi-Fi模塊進行初始化，待信號連接成功后連接云平臺，可以進行通信。上位機可以在網頁端下發命令，再通過MQTT協議將數據發送到下位機，下位機接收到命令后執行命令，在無上位機指令時，下位機自動判斷是否需執行澆花命令。多點位智能澆花系統三層體系架構如圖4所示。

3.2" 網絡通信模塊

本系統選用的開發板都包含Wi-Fi通信模塊。系統中Wi-Fi模塊通過MQTT協議接入到阿里云平臺。首先要知道Wi-Fi的名稱和密碼用于連接。需要使用串口助手檢測能否成功連接Wi-Fi，登連接成功后，就可以通過MQTT協議來實現設備與平臺的通信功能[5]。

在系統的設計過程中，采用了基于MQTT協議的報文格式和協議規范，消息協議用C語言封裝在ESP-WROOM-32和ESP8266-D1mini中，Wi-Fi模塊通過MQTT協議連接到阿里云計算平臺，終端模塊負責接收和分發數據，并將數據傳送到云端平臺上的服務器，阿里云物聯網平臺通過Topic列表中的訂閱和發布信息來實現接收Wi-Fi模塊發送到信息和下發信息或指令，個人在阿里云物聯網平臺創立的產品都擁有自己設備的Topic列表。

要發送數據之前，必須連接到代理服務器，建立連接后，必須向云平臺發送連接請求。確認授權連接后，終端根據MQTT的格式要求對主題、消息內容進行封裝，然后終端將數據發送給代理服務器并返回確認信息，實現數據的發布[6]。用JSON作為中間格式進行數據交換，實現了MQTT與ESP之間的協議轉換使下位機訂閱Wi-Fi模塊接收的服務器信息[7]。

上位機將數據下發給MQTT服務器后，阿里云物聯網平臺會下發相關關鍵詞所賦值給下位機。

3.3" 下位機模塊

下位機需要在無上位機連接時獨立完成計算賦值、控制判斷和OLED屏幕顯示等工作。

ADC引腳采集的為模擬數值，通過計算賦值換算成為百分比數值可以更為直觀的了解蓄水池水位和花卉土壤濕度的相關信息，為此需要創建變量用來儲存收集和計算的數值。計算公式為：計算值=（最高閾值-采集值）/（最高閾值-最低閾值）×100%。

判斷控制模塊會接收計算后的數值并判斷是否執行相關操作。功能實現流程如圖5所示。

控制判斷模塊會檢測計算后的數據是否達到閾值。達到最低閾值時，下位機執行“開”指令，相關GPIO引腳輸出高電平“1”，繼電器模塊接收到高電平后會連接常閉和公共端使相關外設連通，相關外設運行。達到最高閾值時，下位機執行“關”指令，相關GPIO引腳輸出低電平“0”，繼電器模塊接收到高電平后會連接常閉和公共端使相關外設斷開，相關外設停止運行。同時無論是否達到閾值，上位機都可以下發指令使下位機完成相關工作，為保護花卉，在達到閾值后仍執行相關指令。

3.4" 程序設計

本系統開發環境選擇Arduino IDE，開發語言為C++語言。Arduino IDE開發編程擁有兩個主函數。“void setup”函數中的一切程序在開發板開機后只執行一次，“void loop”函數為一個死循環函數，其中的一切程序將會一直重復執行。核心代碼如下：

void setup（） {

Serial.begin（115200）;//波特率115200

pinMode（）;" "/*定義引腳*/

digitalWrite_low（）;/*初始化低電平*/

WiFiInit（）;" /*連接WiFi*/

client.setServer（MQTT_SERVER， MQTT_PORT）;" "/* 連接MQTT服務器 */

client.setCallback（callback）; //設定回調方式，當ESP32收到訂閱消息時會調用此方法

/*" oled屏幕初始化 */

oled.init（）;

oled.flipScreenVertically（）;" " " " " // 設置屏幕翻轉

oled.setContrast（255）;" " " " " " " " // 設置屏幕亮度

drawRect（）;" " " " " " " " " " " " " "http:// 測試屏幕顯示

oled.clear（）; oled.display（）;" " " " "http:// 清除屏幕

/*" oled屏幕初始化 */

}

void loop（） {

Computational_assignment（）;/*計算賦值*/

Judgment_control（）;/*控制判斷*/

/*OLED顯示字母 */

oled.setFont（ArialMT_Plain_16）;" " " "http:// 設置字體

oled_drawString（）;

/*MQTT數據上報*/

if （millis（） - lastMs gt;= 5000）{

lastMs = millis（）;

mqttCheckConnect（）;

/* 上報 */

mqttIntervalPost（）;}

client.loop（）;

delay（2000）;

}

4" 系統功能測試

4.1" 測試方案

本系統測試采用“黑盒測試”的方案，對系統的多點位自動監測控制、OLED屏幕顯示、網頁端數據顯示、手機端APP數據顯示，手機端APP遠程控制等主要功能進行了測試[8]。以下測試中為方便將集中式多點位澆花系統外設進行編號，滴液式水位檢測器為“0”號，電容式土壤檢測器編號為“1～5”號。

4.2" 多點位自動監測控制測試

集中式多點位澆花系統分別選取“0，2，4”號與“1，3，5”號分兩組測試，將“1，3，5”號浸泡于水杯中模擬花盆土壤濕度正常，將“0，2，4”號至于干燥紙面模擬花盆土壤干燥需水，此時“0，2，4”號對應繼電器紅燈亮起代表相應外設正在工作。將兩組調換，此時“1，3，5”號對應繼電器紅燈亮起代表相應外設正在工作，“0，2，4”號對應繼電器紅燈熄滅代表相應外設停止工作。如此重復3次以上都可以明顯看到相應繼電器紅燈的明滅變化，如圖6所示。

分散式多點位澆花系統測試，將電容式土壤檢測器置于干燥紙面，模擬花盆土壤干燥需水，繼電器紅燈亮起代表相應外設正在工作。將電容式土壤檢測器浸泡于水杯中，模擬花盆土壤濕度正常，繼電器紅燈熄滅代表相應外設停止工作。

5" 產品成果

5.1" 產品樣品

集中式多點位智能澆花系統硬件部分主要以1個滴液式水位傳感器和5個電容式土壤濕度傳感器作為感知層終端，傳輸層使用開發板內置的Wi-Fi通信模組通過MQTT協議與開源的阿里云平臺進行通信，將數據傳輸至應用層人機交互界面APP終端。集中式多點位智能澆花系統產品成品如圖7所示。分散式多點位智能澆花系統產品成品如圖8所示。

5.2" 阿里云網頁端界面

設備通電、連接網絡后，網頁端會接收到下位機上報的數據，并準確實時地顯示上報信息，顯示內容如圖9所示。

5.3" 手機端APP數據顯示

網頁端接收到相應數據后會及時同步給手機APP，此時手機APP將會顯示與網頁端相同的信息。顯示內容如圖10所示。

5.4" OLED屏幕實時顯示

設定好的顯示內容為三行，分別為：“AI-watering-SYS”“檢測值/開關狀態”“@發明人@”，如圖11所示。

5.5" 系統應用效果

本系統融合了先進的阿里云平臺技術與Wi-Fi網絡傳輸技術，成功構建了一個真正意義上多節點、智能化的灌溉系統，不僅能夠適應多種花卉和多場景的澆水需求，還能實現遠程實時監控，本系統以其高度的專業性、嚴謹的設計和標準化的語言，為用戶提供了一個高效、智能、便捷的智能澆花解決方案，以滿足不斷變化的市場需求，并推動智能農業的發展，其應用廣泛性為用戶帶來了極大的便利[9]，有效降低了人力成本[10]。此外，深知網頁界面的實用性和操作性對于用戶體驗的重要性，因此將開發出更加人性化、界面設計更美觀的用戶展示區，以適應各類用戶的使用需求。

6" 結" 論

系統采用了低功耗、大容量、低成本的Wi-Fi網絡傳輸技術，確保了遠程通信的高效性和穩定性。以阿里云飛燕生活物聯網平臺為核心的網絡中樞，為硬件與APP移動終端之間的數據交換提供了可靠的支持。同時，傳感器技術的運用實現了對水泵、水閥等設備的精準控制。盡管目前系統尚無法完全滿足用戶除澆水外的其他功能需求，但與其他智能澆花產品相比，系統在性能上已經展現出顯著的優勢。

產品仍在持續開發階段，未來將整合更多種類的傳感器，并采用更高效的開發板，以更好地滿足用戶的多元化需求。隨著研究內容的深入，所采用的傳感器技術也將更加精確和豐富，系統有望與智慧城市建設相結合，進一步拓展其實用性。

參考文獻：

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[8] 王紅玉.OneNET云平臺下基于WiFi的智能家居監控系統的設計與實現 [D].呼和浩特：內蒙古大學，2021.

[9] 王琦鋒.基于MQTT和ESP-NOW的智能家居監測與聯動系統 [D].銀川：寧夏大學，2023.

[10] 丁慧敏.OLED顯示屏驅動芯片視效優化設計與研究 [D].西安：西安電子科技大學，2021.

作者簡介：張濤（2002—），男，漢族，寧夏吳忠人，本科在讀，研究方向：嵌入式系統、智能家居；通信作者：丁永賢（1979—），男，漢族，寧夏銀川人，教師，碩士，研究方向：嵌入式系統、物聯網。