基于STM32F107的智能種植系統(tǒng)的設計

引 言

隨著我國社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展與城鎮(zhèn)化加劇，室內(nèi)種植綠色植物，凈化空氣質(zhì)量已逐漸成為主流的生活習慣。根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)查表明，到 2015 年末，城鎮(zhèn)人口占總?cè)丝诒戎剡_到 56.1%，有種植室內(nèi)植物意愿的家庭主婦、退休老人以及愿意嘗試追求新事物的年輕人，占城鎮(zhèn)化人口的 9.8%，約為8000 萬人。霧霾出現(xiàn)的頻次和問題加劇，因此空氣逐漸成為影響生活質(zhì)量的重要指標，人們對室內(nèi)環(huán)境的質(zhì)量要求越來越高。而基于以上問題，本文設計了智能種植裝置，該裝置集智能種植、社交功能、專業(yè)服務于一身，可為各類城市用戶的多樣化需求提供相應服務，凈化室內(nèi)空氣，增加室內(nèi)種植的趣味性和娛樂性。該裝置以STM32F107 為主控芯片，利用CC2530搭建無線傳感網(wǎng)，通過手機安卓界面實現(xiàn)對植物溫濕度、光照強度、施水施肥的控制。智能種植裝置的專家系統(tǒng)則根據(jù)用戶種植的植物，為用戶提供專業(yè)的種植方案，根據(jù)植物的生長情況實現(xiàn)好友排名，增加人機互動的趣味性。用戶通過點觸手機，即可實現(xiàn)對植物的智能控制，并根據(jù)用戶需求定制相應的種植方案。該系統(tǒng)不僅能夠使忙碌的都市人利用碎片時間實現(xiàn)植物管理，增添生活樂趣，還能根據(jù)用戶的種植喜好為用戶建立社群，為其提供有趣、便捷的社交平臺。

1 智能種植系統(tǒng)的硬件設計

智能種植系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。智能種植裝置的硬件結(jié)構(gòu)主要分為傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、主控芯片、服務器以及個人手機和 PC 端。智能裝置工作的原理傳感器系統(tǒng)采集植物的生長及環(huán)境信息，通過CC2530 將信息傳輸至主控芯片STM32F107，STM32F107 將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的相應數(shù)據(jù)進行對比，以判斷植物的生長情況，并將結(jié)果傳輸至服務器或云端，用戶可利用手機和電腦登錄服務器或云端實時查詢植物的生長情況，也可以利用手機通過服務器、主控芯片、CC2530、控制系統(tǒng)實現(xiàn)植物的施水、施肥、調(diào)節(jié)光照和溫濕度等。系統(tǒng)將采集到的植物生物或環(huán)境信息通過由CC2530 和傳感器搭建的無線網(wǎng)絡傳送到主控芯片，主控芯片通過數(shù)據(jù)平臺控制系統(tǒng)負責對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、信息處理和信息命令的下達，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時隨地通過手機和電腦進行實時查詢和控制。

1.1 傳感器系統(tǒng)

智能種植裝置的傳感器系統(tǒng)包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器等。各傳感器采集不同的數(shù)據(jù)，便于用戶實時監(jiān)測植物的生長情況，保障植物健康生長。各傳感器和CC2530 相互組網(wǎng)，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)。

溫度傳感器采用 DS18B20， 具有體積小， 硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高等特點。智能種植裝置主要通過DS18B20 采集種植植物生長環(huán)境的溫度，并將采集到的溫度AD 值通過CC2530 傳輸至主控芯片。

濕度傳感器模塊采用土壤濕度傳感器模塊，該模塊的數(shù)字量輸出引腳可以與單片機直接相連，通過單片機檢測高低電平，由此檢測土壤濕度。小板模擬量輸出引腳可以和 AD 模塊相連，通過AD 轉(zhuǎn)換獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。智能種植裝置主要通過濕度采集種植植物生長土壤的濕度，并將采集到的濕度AD 值通過CC2530 傳輸至主控芯片。

光照傳感器具有I2C 總線接口（f/s 模式支持），光譜范圍與人眼相近，照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，50 Hz/60 Hz 光噪聲，光源的依賴性不大，可調(diào)光學窗口測量結(jié)果的影響，小測變異（+/ － 20%），紅外線影響較小。智能種植裝置主要通過光照傳感器采集種植植物生長環(huán)境的光照度，并將采集到的光照度AD 值通過CC2530 傳輸至主控芯片。

二氧化碳傳感器具有以下特點：具有信號輸出指示、雙路信號輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出）、TTL 輸出有效信號為低電平、模擬量輸出 30 ～50 mV 電壓，濃度越高則電壓越高，對二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性及較長的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應恢復特性。智能種植裝置主要通過二氧化碳傳感器采集種植植物生長期間二氧化碳的吞吐量，并將采集到的二氧化碳AD 值通過 CC2530 傳輸至主控芯片。二氧化碳的吞吐量是判斷植物生長健康的重要依據(jù)，因此二氧化碳傳感器也是實現(xiàn)植物生長好友排名的重要傳感器。

1.2 控制系統(tǒng)

智能種植裝置的控制結(jié)構(gòu)如圖 2 所示?？刂葡到y(tǒng)包括溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，施水施肥系統(tǒng)與光照調(diào)節(jié)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)連接傳感器和智能裝置。主控芯片接收手機或PC 端傳送過來的信號，控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要利用控制節(jié)點、繼電器擴展模塊和相應的機電執(zhí)行器，通過繼電器實現(xiàn)水肥、溫濕度的調(diào)節(jié)。當植物缺水時，濕度傳感器采集植物生長環(huán)境的濕度AD值，通過無線傳感網(wǎng)傳送至主控芯片，主控芯片將AD 值與專家系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫濕度AD 值進行對比，若判斷濕度不足，則通過無線傳感網(wǎng)驅(qū)動繼電器施水。其他傳感器類似。

1.3 主控模塊

主控模塊采用STM32F107 芯片，該芯片的標準外設包括10 個定時器、兩個 12 位 1 M sample/s AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換器，快速交替模式下為 2 M sample/s）、兩個 12 位DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、兩個I2C 接口、五個 USART 接口，三個 SPI 端口和高質(zhì)量數(shù)字音頻接口I2S。此外，STM32F107 還擁有全速 USB（OTG） 接口，兩路 CAN2.0B 接口及以太網(wǎng) 10/100 MAC 模塊。此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、家庭音響和家電市場多種產(chǎn)品的需求。

基于STM32F107上述特點，本裝置采用STM32F107作為主控芯片，負責處理 CC2530傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并將無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)與專家系統(tǒng)中的標準值進行對比判斷，做相應處理，之后將處理好的數(shù)據(jù)上傳至服務器或云端。主控芯片通過數(shù)據(jù)平臺控制系統(tǒng)負責對采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、信息處理和信息命令的下達，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時隨地通過手機和電腦進行實時查詢和控制。

1.4 用戶控制模塊

用戶控制模塊主要采用手機或電腦實現(xiàn)，用戶通過手機登錄服務器查詢或修改服務器或云端的數(shù)據(jù)，達到控制智能種植裝置的目的， 具體使用ZigBee 協(xié)議，TC/IP 協(xié)議以及Socket 通信等實現(xiàn)。

2 智能種植系統(tǒng)的軟件設計

智能種植系統(tǒng)的軟件設計如圖 3 所示。智能種植裝置的軟件部分主要通過傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過 CC2530 傳輸，使STM32F107 接收到數(shù)據(jù)并與標準數(shù)據(jù)對比后，判斷植物環(huán)境指標是否符合健康標準，根據(jù)具體情況做相應處理。如采集光照，將現(xiàn)有光照值與光照健康標準庫對比，如果現(xiàn)有值比庫中值強則減少光照；反之，增加光照。

該系統(tǒng)的軟件流程如圖 4 所示。其中AD 采樣值包括溫濕度AD 值、光照AD 值、CO2 的AD 值 ；標準健康數(shù)據(jù)庫的值包括溫濕度標準值、光照標準值、CO2 標準值等。當系統(tǒng)接收到AD 值時，與健康標準數(shù)據(jù)中的值進行對比，若高于標準值則發(fā)送減少指令，若低于標準值則發(fā)送增加指令。

3 結(jié) 語

本設計通過手機實現(xiàn)了集社交、種植方案、自動種植為一身的智能種植裝置。該裝置以STM32F107 為主控芯片，利用手機安卓界面實現(xiàn)對植物溫濕度、光照強度、施水施肥的控制。專家系統(tǒng)根據(jù)用戶種植的植物，為用戶提供專業(yè)的種植方案，根據(jù)植物的生長情況實現(xiàn)社交。在增加種植趣味性的同時凈化了室內(nèi)環(huán)境。