基于單片機的智能花盆系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著人們生活質(zhì)量逐步提高，越來越多的人對花卉表現(xiàn) 出極大的興趣，在家里或公司養(yǎng)盆植物不僅可以陶冶情操，清 新空氣，同時植物在白天可以通過光合作用吸收空氣中的二氧 化碳，凈化空氣。在有植物的地方空氣會變得格外清新，尤 其現(xiàn)階段冬季霧霾嚴(yán)重，許多花木可以吸收空氣中的有害氣體， 盡量減少霧霾對人體的傷害。所以在辦公室或家中養(yǎng)盆植物被 許多人喜愛，但上班族們工作壓力大且沒有時間照顧這些花花 草草，于是智能花盆系統(tǒng)應(yīng)運而生。國外的智能家用市場已 做的非常強大，鑒于中國在全球制造鏈中的重要地位，中國已 成為全球各大生產(chǎn)智能家居設(shè)備廠商逐鹿的大戰(zhàn)場，同時，也 帶動了我國對智能家居設(shè)備的重視，使家居設(shè)備的研發(fā)和測 試技術(shù)都有了非常迅速的發(fā)展。雖然我國自動澆水器的項目已 經(jīng)存在，但普遍采用普通的澆水器械，智能澆水的產(chǎn)品比較少。 目前市場上有很多不同的自動澆花器，但僅擁有定時或定量 功能的智能花盆還不夠完善，澆水方式仍采用傳統(tǒng)的雨幕式， 不僅無法充分利用水資源，還常會造成植物附近大面積積水， 容易造成植物凋零或死亡，未根據(jù)植物的生長狀態(tài)來實現(xiàn)對 植物的合理灌溉 [1]。針對這些問題，我們設(shè)計了智能花卉種植 系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過溫濕度等傳感器對環(huán)境進(jìn)行檢測，并能根 據(jù)光照強度或土壤溫濕度等檢測結(jié)果向用戶的移動設(shè)備發(fā)送 短信，對植物進(jìn)行自動澆水等操作。此花盆操作十分簡單，大 大提高了用戶的工作效率。智能家居在人們的生活中得到了越 來越多的認(rèn)可和贊同，該智能花盆也基于此理念，所以其發(fā)展 前景十分廣闊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該智能花盆由傳感器數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理部分、GPRS 模塊接受傳送部分和手機 App 組成，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 如圖 1 所示。

由溫濕度等傳感器對土壤和光照強度等環(huán)境數(shù)據(jù)收集至采集卡，然后傳輸?shù)街醒胩幚砥?CPU，CPU 可將數(shù)據(jù)傳送到GPRS 模塊，此模塊將具體的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分類和處理，便于手機 App 對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。手機 App 向GPRS 模塊發(fā)送控制命令，把控制命令發(fā)送給中央處理器CPU對水泵進(jìn)行控制，實現(xiàn)對植物的自動澆水等具體功能。同時，鑒于用戶工作時間緊張，無法一直查看植物的生長環(huán)境和狀態(tài)，因此，該系統(tǒng)還可針對植物的生長環(huán)境狀況，適時在手機 App上對用戶進(jìn)行提醒。這些功能的最終實現(xiàn)，將會充分滿足用戶對智能花盆的需求，實現(xiàn)花盆真正的智能化和現(xiàn)代化，讓科技真正走進(jìn)人們的生活，提高用戶的生活質(zhì)量， 讓用戶在緊張的工作中得到放松。

2 硬件設(shè)計

2.1 電源模塊

本智能花卉種植系統(tǒng)最主要的能量來源是電源模塊，為了讓整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行，本設(shè)計采用 +5 V 直流電源為單片機等設(shè)備供電，因為該系統(tǒng)主要在辦公室或者家中使用，可采用 USB 或手機充電器充電，供電電壓大多為+5 V。采用 USB 手機充電器充電的好處在于其通用性和實用性強[2]，使用簡單快捷，方便用戶利用文中設(shè)計的智能花盆呵護(hù)自己的植物健康生長。

2.2 單片機模塊

單片機是本智能花盆系統(tǒng)的核心部分，設(shè)計采用了一款高性能、低功耗，型號為 STC89C52RC 的新一代 8051 單片機。8051 單片機具有抗干擾能力強、可靠性高、容易上手等諸多優(yōu)點，同時，8051 還具有尋址范圍大，運算能力強等特點。它具有 8 KB 程序 Flash 存儲器，512 B RAM，通用 I/O 口 36 個， 看門狗定時器及外部掉電檢測電路等[3-5]。此款 8051 單片機充分滿足了本智能花盆系統(tǒng)對單片機的各種需求。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括土壤溫濕度傳感器和空氣濕度傳感器，實現(xiàn)對溫濕度的采集。溫度傳感器選擇使用DS18B20， 通過編程，DS18B20 可實現(xiàn) 9 ～12 位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)單線接口送入DS18B20，從DS18B20 送出，因此，從單片機到DS18B20 僅需連接一條信號線和地線即可 [6]?？諝鉁囟葌鞲衅魇褂肏S1101，這是一款電容式相對濕度傳感器，此傳感器可廣泛應(yīng)用于辦公室、家庭或汽車駕駛室等，實現(xiàn)對空氣濕度的檢測[7]。另外，利用光敏電阻采集光照強度模擬電壓，光敏電阻采用半導(dǎo)體材料制作、利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電原件。在受光線影響時，其阻值會逐漸變小，這種變化被稱為光導(dǎo)效應(yīng)，因此，光敏電阻又名光導(dǎo)管。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓時，其中便會有電流通過，當(dāng)適當(dāng)波長的光線照射過來時，電流就會隨著光強的增加而逐漸變大。利用光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由相應(yīng)的儀器對轉(zhuǎn)換后的信號進(jìn)行處理，以達(dá)到自動控制等功能[8]。此外，采集卡用于將采集到的光照強度和土壤濕度的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并發(fā)送給處理器。

2.4 GPRS模塊

因為 GPRS 用戶依附在網(wǎng)絡(luò)上，所以只要用戶手機處于開機狀態(tài)，便可隨時與GPRS 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，用戶發(fā)出請求后，便可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，使用簡單快捷。傳統(tǒng)的電路交換技術(shù)在通信時，無論有無數(shù)據(jù)傳送都要獨自占用信道，而 GPRS 的 分組技術(shù)克服了傳統(tǒng)電路交換技術(shù)的缺點，只有在數(shù)據(jù)通信時才會占用信道資源，實現(xiàn)了一個用戶共享多個信道，也可以多個用戶共享一個信道的目標(biāo)，提高了信道利用率，適用于數(shù)據(jù)傳輸[9]。幫助此系統(tǒng)實現(xiàn)真正的無線傳輸，可讓用戶工作之余感受到其中的樂趣。

3 軟件設(shè)計

3.1 個人數(shù)據(jù)模塊

個人數(shù)據(jù)模塊如圖 2 所示，主要包括登錄用戶個人信息的顯示，如用戶名、年齡和電話等信息，方便用戶進(jìn)行短信發(fā)送等功能的實現(xiàn)。同時，數(shù)據(jù)是一種個人資產(chǎn) [10]，現(xiàn)在市場上有部分軟件對用戶的個人信息進(jìn)行違法販賣，而本智能花盆系統(tǒng)在絕對保證用戶隱私的前提下對用戶的個人信息進(jìn)行合法使用。

3.2 折線圖模塊

對硬件設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，描點繪圖，以折線圖的形式展現(xiàn)出整個數(shù)據(jù)的變化趨勢。折線統(tǒng)計圖是用一定的長度表示一定的數(shù)量，根據(jù)數(shù)值大小描出各點，然后把各點用直線依次連接起來。折線統(tǒng)計圖不僅可以表示數(shù)值大小， 還能夠清晰表示數(shù)量增減變化的趨勢。因此，折線圖可以顯示在相等時間間隔下數(shù)據(jù)的變化趨勢[11]。對于采集的每一項數(shù)據(jù)空氣溫度，土壤濕度，土壤溫度，光照強度等都能展現(xiàn)其變化趨勢，方便用戶更加具體、直觀地觀察，提早做好相應(yīng)的保護(hù)措施。

折線圖模塊如圖 3 所示。

3.3 控制模塊

控制模塊如圖 4 所示。通過硬件的GPRS 模塊接收短信， 在GPRS 模塊中采用分組通信技術(shù)，用戶在數(shù)據(jù)通信時并不會固定占用無線信道，所以能夠更加合理地利用信道資源。同時，還可以實現(xiàn)短信傳輸、數(shù)據(jù)透明傳輸和語音等功能。當(dāng)用戶點擊 澆水 后，后臺會發(fā)送指定的口令短信到水泵，水泵自動澆水 15 s。用戶不論身處何地，都可以方便快捷地控制自己的智能花盆，不受距離和時間的限制，實現(xiàn)對植物的實時照顧。

3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊

每次打開App 都會顯示最新采集的數(shù)據(jù)，用戶可以在此模塊看到實時數(shù)據(jù)與植物的健康狀態(tài)。同時，用戶也可以實現(xiàn)對最新數(shù)據(jù)的查詢，服務(wù)器端接受查詢命令后，從數(shù)據(jù)庫查詢到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)返回客戶端，向用戶展示更加直觀的數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)較好地消除了未來時點數(shù)據(jù)對過去時點信息的干擾，具有即時性和不包含噪音信息等優(yōu)點[12]。

數(shù)據(jù)顯示模塊如圖 5 所示。

4 結(jié) 語

該智能花卉種植系統(tǒng)通過傳感器采集數(shù)據(jù)，由單片機控制運行，可通過手機 App 查看數(shù)據(jù)。智能花盆可對植物的生長狀況以及周圍的生長環(huán)境進(jìn)行探測、感知并收集數(shù)據(jù)，同時還能自動澆水，使家庭種植更加科學(xué)和智能，減少因用戶疏忽或失誤導(dǎo)致作物凋零或死亡的幾率。智能花盆的設(shè)計給人們緊張的生活帶來了樂趣，符合現(xiàn)代生活的智能化趨勢，具有一定的應(yīng)用和參考價值。