基于STM32的智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔慶華 　王金輝　陳祖棟　宋瑞燕　蘇英妮　馬萬(wàn)藝

摘 要 隨著人們生活品質(zhì)的提高，傳統(tǒng)的花卉養(yǎng)護(hù)已經(jīng)不適應(yīng)時(shí)代的要求。在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以STM32單片機(jī)為主控，并集成了專家系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)具有可進(jìn)行植物的生長(zhǎng)預(yù)測(cè)、植物生產(chǎn)預(yù)估、植物生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的功能。有效地解決了傳統(tǒng)花卉行業(yè)人工控制的繁雜低效、養(yǎng)護(hù)技術(shù)不成熟、人力物力耗費(fèi)巨大等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 集成模塊化;專家系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);智能養(yǎng)護(hù)

中圖分類(lèi)號(hào)： S68;TP316? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.02.036

0 引言

隨著人們生活水平的不斷提升，人們對(duì)于生活品質(zhì)的要求也有了很大的提高，花卉綠化對(duì)于建筑環(huán)境以及生活品質(zhì)的提升具有重要的意義。花卉養(yǎng)殖業(yè)得到了空前的發(fā)展，但是花卉行業(yè)也存在著許多養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，花卉養(yǎng)殖基地存在花卉種植數(shù)量太多而無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管護(hù)，花卉種類(lèi)繁多導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)工作量極大，對(duì)花卉養(yǎng)護(hù)的專業(yè)知識(shí)的缺乏和管理時(shí)間的缺少，導(dǎo)致花卉品質(zhì)下降或死亡等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了花卉業(yè)的發(fā)展。市場(chǎng)上隨之出現(xiàn)一批為養(yǎng)護(hù)花卉設(shè)計(jì)的土壤參數(shù)檢測(cè)傳感器，但對(duì)于養(yǎng)護(hù)不同性質(zhì)的花卉智能化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還不夠成熟。不同品種的植物，不同的季節(jié)、不同的溫度、不同的時(shí)間對(duì)水分、養(yǎng)分等參數(shù)的需求都不同。提高花卉養(yǎng)殖的智能化水平勢(shì)在必行。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。硬件部分是以STM32為主控芯片、以Zigbee無(wú)線信號(hào)傳輸模塊為核心，以傳感器感應(yīng)環(huán)境，并以水泵和電機(jī)作為輔助作為執(zhí)行模塊對(duì)指令進(jìn)行響應(yīng)。軟件部分由數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和客戶端三部分組成，其中數(shù)據(jù)傳輸部分完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸，數(shù)據(jù)處理是將采集到的數(shù)據(jù)在專家系統(tǒng)和數(shù)學(xué)建模模塊處理后并得出相應(yīng)指令，客戶端是實(shí)時(shí)顯示植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)和對(duì)植物生長(zhǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用的是SHT21溫濕度傳感器，采集當(dāng)前植物所處環(huán)境的溫度和濕度。SHT21配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的芯片、一個(gè)經(jīng)過(guò)改進(jìn)的電容式濕度傳感元件和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的能隙溫度傳感元件，其性能已經(jīng)大大提升傳感器（SHT1x 和SHT7x）的可靠性水平。經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的SHT21在高濕環(huán)境下的性能更穩(wěn)定，傳感器可以檢測(cè)到電池低電量狀態(tài)，并且輸出校驗(yàn)和有助于提高通信的可靠性，性價(jià)比更高，并且最終所有設(shè)備都將得益于尖端的節(jié)能運(yùn)行模式。土壤養(yǎng)分傳感器檢測(cè)植物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)養(yǎng)分濃度，采用土壤電導(dǎo)率變送檢測(cè)儀進(jìn)行采集，光照傳感器采集植物生長(zhǎng)實(shí)時(shí)受光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，采用BH1750光照傳感器進(jìn)行采集。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

數(shù)據(jù)傳輸模塊是由Zigbee和WiFi模塊組成。在現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后，需運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和可視化顯示，以及控制指令的下達(dá)。傳感器與網(wǎng)關(guān)之間利用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)利用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)，利用ZigBee節(jié)點(diǎn)采集傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能。數(shù)據(jù)到達(dá)網(wǎng)關(guān)設(shè)備后，如若需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控終端設(shè)備，則需要將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器。WiFi傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)Zigbee傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)存。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊由STM32ZET6單片機(jī)構(gòu)成。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括了核心芯片、晶振電路和復(fù)位電路。各傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)Zigbee協(xié)調(diào)器傳入STM32單片機(jī)，再通過(guò)WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳到服務(wù)器，進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)大數(shù)據(jù)整合系統(tǒng)處理，結(jié)合花卉現(xiàn)有生長(zhǎng)狀況以及專業(yè)配套生長(zhǎng)資料，智能求解出花卉培養(yǎng)最優(yōu)解。把求解的結(jié)果通過(guò)WiFi傳送到STM32，由STM32發(fā)出控制指令給執(zhí)行設(shè)施模塊。

2.4 執(zhí)行設(shè)施模塊

板載電控單元驅(qū)動(dòng)水泵，水泵連接四個(gè)滴灌設(shè)施，根據(jù)傳輸來(lái)的信號(hào)控制水泵進(jìn)行澆水，停止?jié)菜┓实取?/p>

2.5 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊將花卉環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示在OLED屏上，實(shí)時(shí)顯示其周?chē)h(huán)境溫濕度，土壤濕度，土壤溫度，土壤養(yǎng)分及植物生長(zhǎng)狀況的分析等。

3 軟件組成

3.1 軟件介紹

使用IAR軟件，分別將協(xié)調(diào)器和終端程序燒錄進(jìn)Zigbee模塊中。使用Keil5軟件，將終端程序燒錄進(jìn)STM32ZET6中。手機(jī)APP的程序通過(guò)Android Studio軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通過(guò)登錄服務(wù)器的密鑰，即可登錄接收實(shí)時(shí)植物生長(zhǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 終端傳感器程序及服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

首先讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，將其傳輸?shù)椒?wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)有專家系統(tǒng)及數(shù)學(xué)建模分析模塊，判斷其是否需要進(jìn)行指令的處理，得出數(shù)據(jù)，并生成植物生長(zhǎng)預(yù)測(cè)曲線圖，當(dāng)需要或者不需指令處理時(shí)，都將其數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)，最終作出響應(yīng)操作。

3.3 數(shù)學(xué)建模分析預(yù)測(cè)模塊

當(dāng)數(shù)據(jù)傳入到數(shù)學(xué)建模分析預(yù)測(cè)模塊時(shí)，運(yùn)用Matlab等相關(guān)數(shù)學(xué)建模分析軟件，由傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)際情況，建立資源的最優(yōu)配置模型，以及預(yù)測(cè)模型。得出植物生長(zhǎng)最優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)預(yù)測(cè)、植物生產(chǎn)預(yù)估、植物生長(zhǎng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能，真正實(shí)現(xiàn)智能化花卉養(yǎng)護(hù)。

4 總結(jié)

在智能化趨勢(shì)的今天，智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線組網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集傳感數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)花卉環(huán)境的養(yǎng)分、濕度、光照、溫度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。配合服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物全方面地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)控，同時(shí)將數(shù)據(jù)反饋給養(yǎng)殖用戶，為各種植物配套上最優(yōu)化的養(yǎng)護(hù)方案。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，養(yǎng)殖戶還可以任意時(shí)刻通過(guò)手機(jī)終端了解花卉的生長(zhǎng)狀況，生長(zhǎng)環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)。提高花卉品質(zhì)，讓其茁壯成長(zhǎng)，為養(yǎng)花小白變成專家。

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