何偉 喬意凡 程萬杰 楊宇航 劉濤 西北民族大學(xué) 軟件工程專業(yè) 甘肅省 蘭州市 730000

關(guān)鍵字：單片機(jī) 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 智能澆水 綠植

1 研究意義

目前市場上的自動澆花器的功能正在不斷完善，在國內(nèi)比較流行的是玻璃和陶瓷制作而成的純物理澆花器。這種類型的自動澆花器由自身材質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成，根據(jù)器皿的物理原理完成自動澆灌。因為是通過物理原理自動滲透，這樣就可能會導(dǎo)致很大程度的誤差，從而造成綠植不能很好的生長甚至是死亡。

本項目設(shè)計了一款智能澆花系統(tǒng)，使用土壤濕度傳感器對土壤進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時傳送相關(guān)數(shù)據(jù)到用戶移動設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能澆水和能夠根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定完成手動控制澆水這兩種功能。這僅解決了綠植無人照料容易枯死的問題，也增加了用戶的體驗性和趣味性。同時，我們將單片機(jī)作為主要模塊，近年來單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，具有集成度高、體積小、可靠性高的特點(diǎn)，深受各行各業(yè)的青睞，這為我們系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可靠的支撐。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

自動澆花系統(tǒng)是利用單片機(jī)為核心來實(shí)現(xiàn)的。自動澆花系統(tǒng)的濕度檢測電路是利用土壤進(jìn)行設(shè)置，手動灌溉系統(tǒng)由用戶根據(jù)植物實(shí)時情況發(fā)送指令到繼電器以控制水泵澆灌。自動澆花系統(tǒng)的硬件電路由單片機(jī)系統(tǒng)電路、電源的電路、濕度傳感器電路、繼電器、水泵系統(tǒng)共同構(gòu)成的；自動灌溉系統(tǒng)的軟件程序選用高級語言編程,主要分為數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊與互聯(lián)網(wǎng)模塊。數(shù)據(jù)處理的原理是將濕度傳感器收集到的電信號轉(zhuǎn)換為與之相對應(yīng)的濕度值，利用板載WIFI實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收?；ヂ?lián)網(wǎng)模塊是用戶提前配置好系統(tǒng)后，可以自由查看綠植狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制澆花系統(tǒng)。綠植澆水系統(tǒng)靈活可靠并且操作簡單，最重要的是可實(shí)現(xiàn)。

2.1 系統(tǒng)軟件部分

在智能化供水系統(tǒng)軟件的設(shè)計中，采用了結(jié)構(gòu)化和模塊化的方法，方便了功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖如圖2.4。主要包括以下幾個模塊。

圖2.4 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 濕度采集模塊

自動澆水系統(tǒng)運(yùn)行時，首先進(jìn)行初始化，得到設(shè)定的濕度值。濕度采集模塊主要包括芯片初始化、寫入段操作、字節(jié)讀取和濕度采集。芯片的讀寫字節(jié)和初始化程序按照器件手冊工作協(xié)議時序編寫，初始化程序檢測總線是否存在對應(yīng)器件，讀寫時序要注意采樣時間。濕度采集程序設(shè)計主要包括濕度檢測模塊的初始化，啟動濕度轉(zhuǎn)換和讀取寄存器的程序設(shè)計，讀取時先讀取低字節(jié)，再讀取高字節(jié)，最后返回濕度值。經(jīng)過處理之后，將相關(guān)信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時更新；同時主循環(huán)判斷當(dāng)前環(huán)境的濕度值，對比當(dāng)前的土壤濕度值是否低于設(shè)定值，若低于設(shè)定值，繼電器就會驅(qū)動水泵進(jìn)行抽水灌溉；若高于設(shè)定值，則不用工作。

2.1.2 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收模塊

為了讓用戶能夠?qū)β酚善餍畔⑦M(jìn)行配置，芯片會廣播一個WIFI熱點(diǎn)。用戶連接后，就可以配置好路由器信息。為了省電，數(shù)據(jù)傳輸模塊會定期休眠。當(dāng)系統(tǒng)定期喚醒時，它會自動連接到路由器并與Internet服務(wù)器交互。

在澆花系統(tǒng)將電信號轉(zhuǎn)換為土壤對應(yīng)濕度后，利用硬件的WIFI模塊連接上用戶提前配置好的網(wǎng)絡(luò)，并將當(dāng)前土壤濕度、最近一次澆水時間、日期等信息上傳到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器進(jìn)行存儲。

在用戶的數(shù)據(jù)接收部分，用戶訪問指定網(wǎng)址后，配合與硬件綁定的賬號進(jìn)行登陸操作。實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)頁遠(yuǎn)程查看，即用戶可以通過網(wǎng)頁查看相應(yīng)的綠色植物數(shù)據(jù)。這樣用戶即使不在綠植旁邊，也能時刻了解到植物的情況。

2.1.3 互聯(lián)網(wǎng)模塊

互聯(lián)網(wǎng)模塊主要是由云服務(wù)器構(gòu)成，將澆花系統(tǒng)傳輸?shù)木G植狀態(tài)信息進(jìn)行存儲，同時將用戶的指令信息進(jìn)行緩存。為了讓用戶能夠遠(yuǎn)程控制智能澆花系統(tǒng)，通過用戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信交互，即通過控制網(wǎng)頁端的開關(guān)按鈕，可將指令傳遞云端進(jìn)行緩存，每次系統(tǒng)喚醒后,都會獲取互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的緩存命令。因此，用戶訪問指定網(wǎng)址后，輸入命令后，就可以控制硬件端繼電器模塊最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，從而增加用戶的體驗度和趣味性。

在綠植狀態(tài)信息的存儲部分，互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器在接收到信息后會將濕度與數(shù)據(jù)收集部分所得到的閾值進(jìn)行對比。從而得出綠植現(xiàn)在的生長環(huán)境情況，濕度百分比是否合理，是否可澆水等結(jié)論。用戶在登陸指定網(wǎng)頁后，即可查看相關(guān)結(jié)論，根據(jù)提示決定是否澆水或者是等待濕度低于閾值后系統(tǒng)自動澆水。

在用戶指令信息緩存部分，我們會根據(jù)算法進(jìn)行分析，從而判斷用戶的指令是否合理。如果用戶輸入不相關(guān)指令，則會給出提示，并不會對指令進(jìn)行緩存。只有當(dāng)用戶輸入相關(guān)指令并且指令與當(dāng)前綠植情況不沖突時，才會將用戶的指令進(jìn)行緩存。

喚醒后，綠植澆水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊將連接到已配置的網(wǎng)絡(luò)，然后自動從互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器獲取命令。在執(zhí)行命令前，首先判斷該指令的唯一編碼是否與硬件部分的編碼一致，避免用戶種養(yǎng)多株綠植時出現(xiàn)指令混亂的情況。然后會獲取當(dāng)前時間與指令時間進(jìn)行對比，結(jié)合最后一次澆水時間判斷出該指令是否執(zhí)行。

3 本項目的特色與創(chuàng)新點(diǎn)

(1）該智能澆花系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行緊密結(jié)合，擯棄了傳統(tǒng)澆花器的純物理模式。提高用戶體驗度，增加種養(yǎng)綠植的趣味性。讓用戶即使出門在外，也能查看綠植情況。

(2）用戶可以遠(yuǎn)程控制智能澆花系統(tǒng)，解決用戶由于各種原因不能及時地為綠色植物補(bǔ)充水分及養(yǎng)料的問題，讓用戶時刻體驗種養(yǎng)綠植的樂趣。

(3）相比傳統(tǒng)物理澆花器，能夠精準(zhǔn)的控制澆水量和澆水的最佳時間。

(4）系統(tǒng)所需硬件部分已經(jīng)發(fā)展的足夠成熟，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

(5）系統(tǒng)占地小，使用方便，易維護(hù)，便于推廣。

目前在國內(nèi)比較流行的是玻璃和陶瓷制作而成的純物理澆花器和自動定時澆花器。這兩種澆花器都有其明顯的缺點(diǎn)。純物理澆花器利用滲透原理進(jìn)行澆花，這大大降低的澆水量的精確度，澆水時間也得不到控制。而定時澆花器因為是固定時間澆花，無法根據(jù)環(huán)境的具體情況，土壤的具體濕度進(jìn)行澆水。所以我們的智能澆花系統(tǒng)不僅解決了傳統(tǒng)澆花器的缺點(diǎn)，而且增加了互聯(lián)網(wǎng)模塊，讓用戶即使外出也能開心的種養(yǎng)綠植。