劉定策 ，伍家鴻 ，王 浩 ，楊 洋

（1.河南理工大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，焦作 454100；2.杭州電子科技大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，杭州310018）

隨著我國人民生活水平的日益提高。現(xiàn)代人想擁有綠色環(huán)保的家庭環(huán)境和生活質(zhì)量，同時(shí)人們在滿足物質(zhì)需求的基礎(chǔ)上，也開始注重精神需求。屋頂花園成為了新時(shí)代潮流，名貴花卉市場進(jìn)入快速發(fā)展的時(shí)期[1]。目前名貴花卉的養(yǎng)護(hù)，需要投入大量的人力、物力、財(cái)力，現(xiàn)行的屋頂名貴花卉種植雖然十分普遍，但由于技術(shù)人員缺乏，往往會造成出力不討好的局面[2]。故在此設(shè)計(jì)了能夠全自動養(yǎng)護(hù)名貴花卉的智能裝置，該裝置使花卉土壤濕度保持在一個(gè)合適的水平，并可根據(jù)用戶的需要提取數(shù)據(jù)庫中傳感器的濕度數(shù)值。其設(shè)計(jì)目的在于實(shí)現(xiàn)名貴花卉養(yǎng)護(hù)的自動化、智能化，提高養(yǎng)護(hù)效率，解放勞動力。同時(shí)為促進(jìn)作物增產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益起到積極的作用。

1 智能裝置總體設(shè)計(jì)方案

名貴花卉全自動養(yǎng)護(hù)智能裝置主要由溫濕度檢測單元、系統(tǒng)主控單元、電閥門控制單元、nRF24L01遠(yuǎn)程通信單元、穩(wěn)壓供電單元等模塊構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the system

土壤濕度檢測依據(jù)土壤濕度傳感器，通過傳感器對土壤中的溫濕度進(jìn)行采集，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，進(jìn)而控制電閥門1開合，實(shí)現(xiàn)自動灌溉。同時(shí)，設(shè)有防過水裝置，將檢測到的地表濕度與預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，控制電閥門2的開合，實(shí)現(xiàn)過水吸水。

空氣溫濕度檢測通過空氣溫濕度傳感器檢測數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)反饋至單片機(jī)，單片機(jī)控制超聲波霧化裝置的開合，達(dá)到降溫增濕的效果。

nRF24L01遠(yuǎn)程通信單元可根據(jù)需要，上位機(jī)發(fā)送不同花卉不同季節(jié)以及不同生長周期對水的需求量表至單片機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對花卉不同生長周期或不同品種花卉種植時(shí)各部分預(yù)設(shè)值的改變，實(shí)現(xiàn)裝置的智能化。該量表數(shù)據(jù)通過實(shí)地調(diào)研考察，以及大數(shù)據(jù)比對得出，具有很高的精確性，可保證花卉的健康成長。用戶也可根據(jù)需要通過nRF24L01對整個(gè)過程進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主控單片機(jī)選型

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精確性，結(jié)合實(shí)際需求，選取STC12C5A60S2系列單片機(jī)作為主控單元。該系列單片機(jī)與傳統(tǒng)51單片機(jī)兼容，內(nèi)部RAM高達(dá)1280 B，運(yùn)行速度提高了8～12倍，具有高速、低功耗、抗干擾等特點(diǎn)[3]。

2.2 檢測與控制電路設(shè)計(jì)

在檢測方面，考慮到電路的方便簡潔以及檢測的精準(zhǔn)度，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)并考慮成本問題，選用了3個(gè)DHT11傳感器，分別用做土壤濕度檢測、地表濕度檢測、空氣溫濕度檢測。DHT11應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的、長期的穩(wěn)定性[4]。

系統(tǒng)中DHT11溫濕度傳感器采用5 V供電，共有4個(gè)引腳：腳1接電源，腳2接單片機(jī)（將采集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)），腳3懸空，腳4接地。3個(gè)傳感器的腳2分別接于單片機(jī)P1.2，P1.3，P1.4，以實(shí)現(xiàn)土壤、地表濕度及空氣溫濕度數(shù)據(jù)的采集。3個(gè)檢測電路結(jié)構(gòu)相同，具體如圖2所示。

圖2 檢測模塊電路Fig.2 Detection module circuit

控制部分主要是通過單片機(jī)控制繼電器開合，（對應(yīng)于水閥和霧化器的啟停），實(shí)現(xiàn)缺水灌溉、過水吸水以及超聲波霧化降溫增濕。3個(gè)部分彼此獨(dú)立，結(jié)構(gòu)一致[5]?？刂颇K電路如圖3所示。

圖3 控制模塊電路Fig.3 Control module circuit

在此使用1個(gè)PNP型的三極管：e極接VCC；c極接繼電器的腳3，用于驅(qū)動繼電器開合；b極通過1 個(gè) 200 Ω 電阻，接到單片機(jī)的 P1.X（在此指 P1.5，P1.6 或 P1.7）口。 剛開始時(shí)，單片機(jī)的 P1.X 口是高電平，繼電器線圈不通電，繼電器不工作。當(dāng)單片機(jī)的P1.X口電位拉低時(shí)，三極管導(dǎo)通，使繼電器的線圈通電，繼電器工作（相當(dāng)于水閥和超聲波霧化加濕器工作），從而實(shí)現(xiàn)缺水灌溉、過水吸水和超聲波霧化降溫增濕功能。

2.3 無線通信電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用nRF24L01通信。nRF24L01是一款無線通信芯片，工作在214～215GHz ISM頻段，工作在1.9～3.6 V，多達(dá) 125個(gè)頻段可供選擇。 無線通訊速度可達(dá)2 Mb/s，并且有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能[6]。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA，接收時(shí)工作電流只有12～13 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便[7]。nRF24L01與單片機(jī)的連接如圖4所示。

圖4 無線通信電路Fig.4 Wireless communication circuit

2.4 穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)

該裝置采用自行設(shè)計(jì)的自尋光太陽能光伏發(fā)電板發(fā)出的5 V直流電通過穩(wěn)壓、調(diào)壓電路供電[8]。

統(tǒng)計(jì)上述各模塊對電壓的需求，共需要3.3，5，12 V三種穩(wěn)定輸出電壓值。該裝置采用AMS1117降壓實(shí)現(xiàn)5～3.3 V的穩(wěn)定輸出，LT1930A升壓實(shí)現(xiàn)5～12 V的穩(wěn)定輸出，分別為裝置各部分供電。穩(wěn)壓、調(diào)壓電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件主要包括主程序、土壤濕度檢測與灌溉子程序、空氣溫濕度檢測與超聲波霧化加濕子程序、通信收發(fā)數(shù)據(jù)子程序等。主程序流程如圖6所示。

圖5 穩(wěn)壓、調(diào)壓電路Fig.5 Voltage regulating and voltage regulating circuit

圖6 主程序流程Fig.6 Main program flow chart

主程序?qū)ρb置各部分進(jìn)行初始化，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理保存，判斷是否超限，超限則執(zhí)行發(fā)送、控制子程序，然后循環(huán)，未超限則直接循環(huán)。

當(dāng)數(shù)據(jù)超限時(shí)，觸發(fā)通信發(fā)送數(shù)據(jù)子程序，發(fā)送數(shù)據(jù)，通過nRF24L01發(fā)送到上位機(jī)。發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程如圖7所示。

上位機(jī)可以向系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)量表或者控制指令，觸發(fā)中斷程序，接收數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)中斷程序流程如圖8所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

在花盆內(nèi)部署土壤濕度傳感器以構(gòu)建模擬試驗(yàn)平臺，土壤材料選取普通的適合花卉生長的泥土，花卉采用人們較為熟悉的君子蘭，采樣間隔設(shè)為6 h。在系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，用戶便可以提取寄存器中存儲的濕度數(shù)據(jù)。

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)子程序流程Fig.7 Sending data subprogram flow chart

該系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)長10 d，檢測模式的君子蘭土壤濕度值見表1。測試結(jié)果表明，檢測模式在土壤質(zhì)量濕度＜10%的24 h后澆水，并記錄下系統(tǒng)工作10 d的土壤濕度值；對花卉適時(shí)自動澆水，實(shí)現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)的功能，達(dá)到了智能澆水的目的。

表1 君子蘭土壤濕度值Tab.1 Soil moisture value of kaffir lily

試驗(yàn)證明，所設(shè)計(jì)的名貴花卉全自動智能養(yǎng)護(hù)裝置可以很好地維護(hù)花卉的生長，并能夠促進(jìn)作物增產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本，且操作方便，運(yùn)行無障礙。

5 結(jié)語

針對目前名貴花卉養(yǎng)護(hù)效率低，依賴人工性強(qiáng)，費(fèi)用高的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的名貴花卉全自動養(yǎng)護(hù)智能裝置。該裝置具有自動灌溉、自動降溫增濕、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，可以實(shí)現(xiàn)控制名貴花卉生長土壤溫濕度、空氣溫濕度，并充分利用太陽能等清潔能源。監(jiān)護(hù)者可以實(shí)時(shí)地檢測植物的生長狀況，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。該裝置在小型區(qū)域名貴花卉養(yǎng)護(hù)方面，如屋頂花園，有很好的使用推廣價(jià)值。