刘英男 王鑫 闫宇

摘要：本文研发的智能阳台养花系统以单片机STM32F103ZET6为核心，实时监测花卉所处环境光照强度值，土壤湿度值，风力值。通过与系统预先设定极限值对比，并对此采取相应的养护措施，从而实现自动化。由PWM调制红蓝光的脉冲宽度实现按比例补光;土壤湿度传感器获取的实时湿度值与比较器进行比较，通过继电器，触发水泵，实现自动浇水。联轴器，步进电机，升降台的螺旋杆三者相连，共同构成升降模块，小型直流有刷电机与三杯式旋转风杯组装而成的风速传感器相当于开关，自动控制升降台的高度。实验表明，该系统操作简单便捷，可实现花卉养护自动化。

关键词：智能养花;STM单片机;PWM调制;比较器

盆栽养花是人们生活中一种休闲娱乐方式，目前社会中养花人群骤升，但却无暇照顾导致花卉枯萎。光照、水分和外力等均会影响花卉的生长。光照是影响花卉进行光合作用的重要因素，LED光源具有节能环保，光色纯正，防潮，寿命长等诸多优点，可用于花卉栽培。研究表明，对植物光合作用有重大影响的主要是400-500nm 的蓝光和600-700nm 的红光。[1]因此本系统中采用LED红蓝光，用户可以根据需求通过按键来选择。且水分是花卉生长的必要条件，是花卉的生命活动不可缺少的重要环境因子之一。怎样适当的补充红蓝光，浇水并使花卉免于外力的伤害一直深深困扰着这些养花之人。若能实现花卉补光，浇水，避风的一体化养护，将极大提高花卉的生存率，丰富人们的文化生活。

1 系统总体设计

智能阳台养花系统由三个模块组成，分别是自动补光模块、自动升降模块、自动浇水模块。自动补光模块通过光敏传感器完成对光照强度的监测，当外界光照强度低于系统设定极限值时，由PWM调制，使用者只需通过按键选择花卉即可;自动升降平台适用于台风时刻，当台风来临时，风力传感器检测到风力值，由单片机进行数据对比，超过设定的极限值时，单片机将会启动电机，通过联轴器将电机与升降台进行连接，电机带动升降台进行高度调整。升降台将花卉降低到安全高度时将会停止。自动浇水模块中，由湿度传感器实现对土壤湿度的检测，通过比较器进行土壤湿度对比，倘若土壤湿度低于比较器的设定值时，水泵对水分不足的花卉补充适应的水分。

该系统的控制模块中采用STM32F103ZET6作为核心处理器，具有512K片内FLASH，64K片内RAM，片内FLASH 2个基本定时器，3路SPI接口，2路I?S接口，2路I?C接口。3路共16通道的12位AD输入，2路共2通道的12位DA输出，支持片外独立电压基准。信息采集与处理、预设值调整、系统智能控制等工 作都是在核心处理器的基础上完成[2]，核心处理器引脚说明如表1所示。该系列单片机与传统51单片机兼容，内部RAM高达1280 B，运行速度提高了8倍～12倍，具有高速、低功耗、抗干扰等特点，十分适用于本项目。

2 系统各模块设计

2.1 自动补光模块

该模块由ISL29010光敏传感器，波长为620nm-630nm的红色LED灯，波长为450nm-455nm的蓝色LED灯，220V转12V稳压电源电路，指示灯组成。根据光敏传感器实时采集数据以及预先设定的极限值，由按键选择不同的花卉，得到不同占空比的PWM信号。通过工作电压为3V的LED红灯和LED蓝灯作为补光灯组，由PWM信号控制补光灯组的输出光照强度，从而对不同花卉进行精确补光。

系统初始化后，若花卉所处环境光照值高于预先设定的极限值，证明花卉所处环境光照充足，根据该模块实时采集光照值与极限值的比较，补光灯组将灭灯;反之，由LCD显示界面上的按键S0选择特定花卉，选定完成后，按下S1，屏幕显示设置成功，即可输出特定红蓝光比重的光照。

图 3所示为补光模块电路图，STM32左侧为光敏传感器电路，当外界环境的光照强度不大于设定的极限值时，即电压比较器“+”端输入电压小于“-”端输入电压时，DO端输出低电平;当环境的光照强度值大于设定的极限值时，即电压比较器“+”端输入电压大于“-”端输入电压时，DO端输出高电平;在STM32右侧为LED电路，主要由NPN型三极管和发光二极管构成，光敏传感器引脚DO与STM32单片机PA1引脚相连，光敏传感器引脚1悬空。

2.2  自动升降模块

此模块由步进电机（型号为57CM23，转轴轴径为8mm）、升降台、联轴器（型号为8mm，7.8mm）构成，由联轴器把步进电机的转轴与升降台的螺旋杆连接并固定。如图3所示，步进电机与联轴器在A点相连，联轴器与升降台螺旋杆在B点相连，也可通过螺旋杆右端的手动旋钮调整花盆高度，共同构成自动升降系统，风力传感器的接线与单片机引脚PA2相连。步进电机在输入脉冲信号作用下可实现开关， 步进电机在输入脉冲信号作用下可实现开关，由于速度和输入的脉冲频率成正比，可通过控制脉冲频率实现对电机速度的控制，且运转速度可在相当宽的范围内平滑调节。[3]

在这一模块中，风力传感器实时监测风力值，当达到台风阈值时，通过AD转换将风力值传入STM32单片机，与系统内预先设定极限值比较，当监测值大于预先设定极限值时，单片机将会控制模块中的步进电机启动，由联轴器的作用带动螺旋杆旋转，从而使得升降台下降，当下降到固定高度时，将断开电路，升降台则停止下降。当监测值小于预先设定极限值时，说明外界风力状况良好，单片机不发出控制命令，整个模块將保持状态不变，继续监测风力值，并在显示屏LCD上显示数值大小。

2.3 自动浇水模块

自动浇水模块分为土壤湿度监测、数值比较、水泵浇水3个部分。

通过将XM-M214土壤湿度传感器垂直插入土壤，实现实时监测土壤湿度值;通过AD转换，将模拟信号量转换成数字信号量，和比较器进行比较（比较器可以自定义比较的值），当土壤湿度小于预先设定的极限值时，说明花卉此时处于缺水状态，通过保护电路的继电器吸合，电路导通，水泵出水实现自动浇水的目的，当湿度传感器监测的值大于比较器的设定值时，通过继电器将电路中断，水泵停止出水。

该模块中的比较器采用3.3V供电，共有6个引脚，其中引脚1接电源;引脚2为DO TTL数字信号输出，悬空;引脚3为模拟信号输出，接单片机的引脚PA0;引脚4接地;引脚5，引脚6接土壤湿度传感器。

3 结论

针对目前花卉的养护效率低，依赖人工性强，费用高的现状，设计了基于单片机STM32F103ZET6的智能阳台养花系统。通过分析影响花卉生长的环境因子，以及不同花卉在光合作用中所需红蓝光的不同比例，可对周围环境进行监测，采集数据;利用LED光源，红色蓝色LED灯由按键采用PWM控制，最大化节约光能源;以电子类的自动浇花器的工作原理为参考，自动化程度高，运行速度快且精准，从而解决人们生活中花卉忘记浇水的这一问题[4]。与现代技术接轨，实现补光，浇水，避风。

该系统目前还没有与之匹配的手机App，不方便人们远程使用调控，后续可使用物联网连接。升降系统中步进电机在稳定性上有待改进，在具体转数设置上需要更多的测试数据作为支撑，便于根据实际应用场合进行调整。

参考文献：

[1]高鸿磊，诸定昌.植物生长与光照的关系[J].灯与照明，2005（04）：1-4.

[2]赵杰荣，李永涛，李悠然，等.基于单片机的LED植物补光系统[J].大连工业大学学报，2016（05）：373-377.

[3]李晓贞，智能化单粒缫丝机的设计[D]，山东农业大学，2009.

[4]刘红权，潘虹，刘浩，等.基于单片机的智能花卉浇水系统的设计与实现[J].科技与信息，2019（01）：146.