基于STM32F107的智能種植系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(xí)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_(dá)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(biāo)，人們對(duì)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(shè)計(jì)了智能種植裝置，該裝置集智能種植、社交功能、專業(yè)服務(wù)于一身，可為各類城市用戶的多樣化需求提供相應(yīng)服務(wù)，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(jī)安卓界面實(shí)現(xiàn)對(duì)植物溫濕度、光照強(qiáng)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(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)好友排名，增加人機(jī)互動(dòng)的趣味性。用戶通過點(diǎn)觸手機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的智能控制，并根據(jù)用戶需求定制相應(yīng)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(shí)間實(shí)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(tái)。

1 智能種植系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(wù)器以及個(gè)人手機(jī)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(zhǎng)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(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以判斷植物的生長(zhǎng)情況，并將結(jié)果傳輸至服務(wù)器或云端，用戶可利用手機(jī)和電腦登錄服務(wù)器或云端實(shí)時(shí)查詢植物的生長(zhǎng)情況，也可以利用手機(jī)通過服務(wù)器、主控芯片、CC2530、控制系統(tǒng)實(shí)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(luò)傳送到主控芯片，主控芯片通過數(shù)據(jù)平臺(tái)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、信息處理和信息命令的下達(dá)，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時(shí)隨地通過手機(jī)和電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)情況，保障植物健康生長(zhǎng)。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(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。智能種植裝置主要通過DS18B20 采集種植植物生長(zhǎng)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(jī)直接相連，通過單片機(jī)檢測(cè)高低電平，由此檢測(cè)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(zhǎng)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(xué)窗口測(cè)量結(jié)果的影響，小測(cè)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(zhǎng)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(diǎn)：具有信號(hào)輸出指示、雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及 TTL 電平輸出）、TTL 輸出有效信號(hào)為低電平、模擬量輸出 30 ～50 mV 電壓，濃度越高則電壓越高，對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性及較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)恢復(fù)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(zhǎng)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(zhǎng)健康的重要依據(jù)，因此二氧化碳傳感器也是實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)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)。控制系統(tǒng)連接傳感器和智能裝置。主控芯片接收手機(jī)或PC 端傳送過來的信號(hào)，控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要利用控制節(jié)點(diǎn)、繼電器擴(kuò)展模塊和相應(yīng)的機(jī)電執(zhí)行器，通過繼電器實(shí)現(xiàn)水肥、溫濕度的調(diào)節(jié)。當(dāng)植物缺水時(shí)，濕度傳感器采集植物生長(zhǎng)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(jìn)行對(duì)比，若判斷濕度不足，則通過無線傳感網(wǎng)驅(qū)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10 個(gè)定時(shí)器、兩個(gè) 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(gè) 12 位DA（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、兩個(gè)I2C 接口、五個(gè) USART 接口，三個(gè) 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(dòng)化、家庭音響和家電市場(chǎng)多種產(chǎn)品的需求。

基于STM32F107上述特點(diǎn)，本裝置采用STM32F107作為主控芯片，負(fù)責(zé)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(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比判斷，做相應(yīng)處理，之后將處理好的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器或云端。主控芯片通過數(shù)據(jù)平臺(tái)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、信息處理和信息命令的下達(dá)，為用戶提供分析和決策以及社交依據(jù)，用戶隨時(shí)隨地通過手機(jī)和電腦進(jìn)行實(shí)時(shí)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(jī)或電腦實(shí)現(xiàn)，用戶通過手機(jī)登錄服務(wù)器查詢或修改服務(wù)器或云端的數(shù)據(jù)，達(dá)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(shí)現(xiàn)。

2 智能種植系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

智能種植系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比后，判斷植物環(huán)境指標(biāo)是否符合健康標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)具體情況做相應(yīng)處理。如采集光照，將現(xiàn)有光照值與光照健康標(biāo)準(zhǔn)庫對(duì)比，如果現(xiàn)有值比庫中值強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)健康數(shù)據(jù)庫的值包括溫濕度標(biāo)準(zhǔn)值、光照標(biāo)準(zhǔn)值、CO2 標(biāo)準(zhǔn)值等。當(dāng)系統(tǒng)接收到AD 值時(shí)，與健康標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中的值進(jìn)行對(duì)比，若高于標(biāo)準(zhǔn)值則發(fā)送減少指令，若低于標(biāo)準(zhǔn)值則發(fā)送增加指令。

3 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)通過手機(jī)實(shí)現(xiàn)了集社交、種植方案、自動(dòng)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(jī)安卓界面實(shí)現(xiàn)對(duì)植物溫濕度、光照強(qiáng)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(zhǎng)情況實(shí)現(xiàn)社交。在增加種植趣味性的同時(shí)凈化了室內(nèi)環(huán)境。