基于機智云物聯網的智能花卉栽培系統

摘要:為提高花卉栽培質量、確保穩定生長環境，滿足遠程監測與調控需求，我們設計了一款基于物聯網技術的智能花卉栽培系統。系統采用三層物聯網架構，主要使用STM32單片機和多種傳感器實現全面感知，通過WiFi傳輸實現信息交互，并在機智云物聯網平臺實現實時監測和遠程操控。

種植者可遠程監測土壤溫濕度、環境溫濕度、CO2濃度、光照強度，并通過App實現遠程控制水泵、排氣扇、補光燈等功能。本設計性能穩定，能有效解決環境信息獲取不準確、不及時以及操作不當導致的問題，達到預期效果。

引言

智能花卉栽培系統通過各種傳感器及計算機自動控制其生長環境，在不適宜花卉生長的環境下調節環境條件，以達到不時栽培、延長花期和增加產量的目的。本系統利用物聯網技術實現花卉生長環境的監測、控制和相關管理工作，搭建了花卉環境信息采集的硬件架構和WiFi傳輸網絡，并結合相關硬件設備，設計了花卉栽培監測和調控系統。

本研究基于STM32單片機研發的有無線聯網功能的智能花卉栽培系統，可在滿足環境參數精準采集的條件下，對相關性能指標進行交互控制，實現花卉栽培過程的自動化控制。使用者可采用現場控制和遠程互聯網控制2種方式對系統進行操控，從而確保植物穩定的生存環境。該系統若實施網絡化、大規模運行管理，可實現花卉高產、優質、高效、生態、安全的產出。

1 智能花卉栽培系統的總體結構

智能花卉栽培系統主要利用物聯網技術，通過手機端和OLED屏幕實時獲取花卉周圍環境信息，根據智能遠程、自動控制相關設備運作，保證周圍環境適宜植物生長的條件。該系統的功能模塊如表1所示，包括信息顯示、環境因子監測、設備控制及系統軟件等組成部分，主要運用各傳感器對花卉生長環境中的土壤溫濕度、環境溫度、光照強度、CO2濃度進行實時監測；由WiFi進行無線傳輸，負責數據的收發；

使用機智云物聯網平臺進行信息處理，根據檢測到的數據發送控制指令；通過手機App設定溫濕度、光照強度以及CO2濃度的閾值，當下位機傳感器探測到的數據高于閾值就會提醒，并顯示此時花卉所處的環境信息。本系統分為手動開關和App上設置的遠程開關2種開關模式，可以控制繼電器開啟水泵、風扇、補光燈以進行適宜花卉生長的環境參數調整。

表1 智能花卉栽培系統的主要功能

2 系統硬件設計

2.1 設備選型

系統采用有著強大通信和控制功能的STM32F103C8T6單片機，是一款32位基于ARM核心的帶64K字節閃存的微控制器；引腳個數為48個；工作頻率為72 MHz；工作溫度為-40～85℃；需要電壓2.0～3.6 V；單片機具有3個普通定時器、1個高級定時器以及2個2位/16通道的ADC模數轉換。其自帶3.3 V穩壓芯片，可以保證最大輸出300 m A電流；支持ST-LINK和JTAG調試下載，內部采用64K或128K字節Flash程序存儲器以及高達20K字節的SRAM數據存儲器。STM32處理器具有睡眠、停機、待機3種低功耗模式，單片機在低功耗狀態下喚醒時間可以達到微秒級。

本系統執行設備主要有數字溫濕度傳感器（DHT11）、光照傳感器（BH1750FVI）、煙霧傳感器（MQ-2）、土壤溫濕度傳感器、Wi Fi模塊（esp8266）、STM32F103C8T6微控制器、繼電器、水泵、風扇（L9110）、LED發光二極管、OLED屏幕。表2為選用的各傳感器基本信息。

表2 選用的各種傳感器基本信息

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感網絡體系結構主要包括感知層、傳輸層、平臺層和應用層4大層面。其中，感知層主要通過設置對應的結點，由各種傳感器與結點相連，并按需求覆蓋一定的區域。傳輸層是數據采集層與應用層之間的一座橋梁，主要通過無線網絡向手機App發送數據。應用層是利用使用者對感知層反饋的數據進行監測，并對終端節點進行遠程控制（如控制照明、進行溫濕度控制等）。

本系統使用ESP8266無線網絡進行數據傳輸，其采用IEEE802.11無線通信標準，共有VCC、RX、RST、IOC、EN、IO2、TX、GND這8個針腳，系統主要用到VCC、RX、TX、GND這4個針腳。ESP8266WiFi模塊采用串口與單片機通信，內置TCP/IP協議棧，通過WiFi與上位機通信。利用ESP8266模塊對傳統串口設備進行簡單的串口配置，即可將數據通過WiFi傳輸給上位機，實現物聯功能。

ESP8266的GND、VCC和STM32對應的GND、VCC相連接，RX和STM32的PB10連接，TX和STM32的PB11連接。ESP8266 WiFi模塊如圖1所示，WiFi模塊線路連接如圖2所示。

圖1 ESP8266 WIFI模塊

圖2 WiFi模塊線路連接圖

3 系統軟件設計

3.1 主程序軟件設計

在進行智能花卉栽培系統程序設計時，采用keil5對系統程序進行設計和編譯，將程序錄至單片機系統中的FLASH中，主要包括花卉監測主控制系統和采集節點2個模塊的程序設計。

本系統軟件的設計主要通過STM32實時檢測傳感器輸入參數的變化以及WiFi模塊收到的控制信息實現。當判斷出傳感器的參數值超過上限或低于下限時，MCU會進行處理并控制相關設備動作，發出燈光指示信號、上傳數據到機智云物聯網平臺。圖3為智能花卉栽培系統主程序流程。

圖3 智能花卉栽培系統主要程序流程

3.2 上位機監控模塊

系統的上位機軟件采用機智云平臺為開發環境，平臺的構架傳感數據來自采集層，主要由各個環境感應器組成，以完成植物的生長環境的信息采集。傳輸控制層則是負責將采集到的植被生長環境數據，通過數據傳送到云端。其利用無線網絡模塊作為介質，在TCP/IP通訊協議的基礎上，將植物的生長參數無線傳輸到云端，并利用機智云平臺對植株的生長環境參數進行存儲、分析、統計。

另外，在傳輸控制層中，還需要通過機智云服務器對環境溫度、土壤濕度、光照強度、CO2濃度調節進行遠程操控。用戶也可通過電腦客戶端、手機App等智能裝置，對上述植物生長環境中的現場裝置進行監控。

智能盆栽的種植系統，有手動模式和自動模式2種監控模式（現場控制和遠程控制）。手動模式主要通過手機App設定閾值，并通過App端進行澆水、補光等操作。手動模式到自動模式的切換也十分便捷，只需長按開發板上第1個按鍵約5s（手動控制風扇的按鍵）即可切換到自動模式，系統就會根據率先在App上設定好的閾值來對植物需求即所處的環境進行一些智能化的調整，不需要人為再操作。本系統機智云物聯網平臺界面如圖4所示，手機App界面如圖5所示。

圖4 機智云平臺界面

圖5 機智云APP界面

4 系統測試

4.1 黑盒測試

系統測試主要是對系統自身應用場景的限定，采用黑盒測試，對遠程操控、App查看及控制、屏幕顯示、光照強弱監控、灌溉功能監控等主要功能進行測試。

根據程序的需求規格說明書，檢驗其性能要求是否一致。在不需要理解程序代碼的內部結構的情況下，就可以模仿使用者使用本產品，并檢驗其是否符合使用者的要求。測試系統的總體運行結果分為完全實現、基本實現、未實現、功能缺失4類。黑盒測試可以更好、更真實地反映使用者的使用感受和被檢測系統的實際功能運行情況。

本測試主要對該系統的各個功能模塊進行測試，測試的主要內容包括OLED屏幕監測數據顯示測試、蜂鳴器報警測試、環境溫度監測、土壤溫濕度澆水監測、光照強弱監測、CO2濃度監測、App數據調控端測試以及手動模式和自動模式的切換測試。智能盆栽種植系統功能的黑盒測試如表3所示，該測試內容基本滿足系統設計要求。

表3 智能盆栽種植系統功能的黑盒測試

4.2 測試結果

1）數據實時顯示。當傳感器采集的數據通過服務器傳到客戶端時，在App端界面展示外，同時在OLED屏幕顯示數據，包括CO2濃度、環境溫度、光照強度、土壤溫濕度的實時數據，如圖6所示。

圖6 OLED屏幕顯示數據

2）各控制模塊運行。通過控制面板上的按鈕進行手動測試，當按動燈光按鈕時，側面模擬光源的LED燈亮起，重復動作將熄滅，如圖7所示；當按動水泵開關按鈕時，抽水泵啟動并將儲水盒中的水或營養液輸送至花盆內，完成澆水的步驟，重復動作將關閉水泵，如圖8所示；當按動風扇按鈕時，側面模擬通風的風扇轉起，達到通風的效果（可用于相對封閉且空氣不暢的環境），重復動作將關閉風扇，如圖9所示。

圖7 補光燈啟動

圖8 水泵啟動

圖9 風扇啟動

5 結語

本文設計了一款基于物聯網的智能花卉栽培系統，通過軟硬件實時監測花卉栽培環境參數（如土壤溫濕度、環境溫濕度、CO2濃度、光照強度）。系統設有2種模式：現場控制和遠程控制。根據動態數據信息進行智能決策控制，實現自動澆水、自動補光、自動通風，確保栽培環境穩定。測試結果表明，系統穩定運行，數據準確采集，滿足智能花卉栽培的基本需求。