叶金霖 池建钢 王鹏 郭卉 俞飞

摘要：针对人们长期疏于管理导致盆栽植物不能存活的问题，基于STM32单片机，设计了一种盆栽植物管理系统，用户可通过手机APP客户端对盆栽植物进行手动或自动的浇水及补光操作，保证了在无人管理时植物能正常生长，节省人力的同时，净化室内环境。

关键词：单片机;盆栽植物管理;APP客户端;浇水;补光

0 引言

现代都市生活压力大，很多人喜欢在家或办公室摆放盆栽植物，但往往由于工作忙碌或长期外出等，对盆栽疏于管理，大大降低了植物的存活率，降低了人们养殖盆栽的热情[1]。

本文基于STM32单片机设计的盆栽植物管理系统，可实现对盆栽植物的远程监控及自动浇水、自动补光等功能。用户可通过手机端APP无线监测盆栽植物的土壤湿度和光照强度等参数，在植物需要浇水及光照时，可自动或手动完成浇水及补光工作。

1 系统方案设计

该盆栽植物管理系统设计方案如图1所示，系统主要包括主控制芯片、土壤湿度及光照强度传感器、LED灯及水泵、OLED显示器、蜂鸣器、路由器、服务器及手机APP等。

系统工作原理：以STM32单片机为主控制芯片的主控电路接收来自传感器采集的土壤湿度和光照强度信号，并对采集的数据进行处理分析，同时系统可通过Wi-Fi远程向手机APP发送信息[2]，若光照强度和土壤湿度不满足植物生长需求，系统会通过蜂鸣器报警，用户既可远程对盆栽植物进行浇水或补光，又可通过托管模式自动浇水和补光。

2 系统硬件电路设计

该盆栽植物管理系统硬件电路主要包括主控制电路、检测电路、显示和报警电路、无线传输电路及自浇水补光模块等。

2.1    主控制电路设计

主控制电路原理图如图2所示，以STM32F103C8T6单片机为核心，该单片机具有STM32系列的传统优势，外设资源丰富，具有12位模数转换器、1个PWM发生器和3个计时器，支持多个通信接口，适用于多场景应用。

STM32单片机提供了2个外部时钟输入接口：外部高速时钟（HSE）和外部低速时钟（LSE）。HSE选用8 MHz主频，用于提供精确的系统时钟源;LSE选用32.768 kHz主频，可为实时时钟或者其他定时功能提供一个低功耗且精确的时钟源。本设计主要用到的外设包括SPI接口、ADC模块、串口模块、GPIO和计数器等。

2.2    检测电路设计

土壤湿度和光照强度检测电路选用FC-28土壤湿度检测模块采集土壤信息，光敏电阻采集光照强度信息[3-4]，信号经运算放大器放大后发送给主控制器，主控制器的ADC模块将传感器的模拟信号转化为数字信号，并将采集的土壤湿度值和光强值与设定的阈值进行比较。当系统判断植物缺水时，主控制器控制水泵对盆栽植物进行浇水;当系统判断植物缺光时，控制LED灯对盆栽植物补光。

2.3    显示和报警电路设计

显示电路选用OLED显示屏，通过SPI协议与主控制进行通信，根据检测到的土壤湿度及光照强度参数与设定阈值的大小关系，显示“正常”“缺水”或“缺光”字样。报警电路采用蜂鸣器作为本地报警装置，当缺水或者缺光时系统自动报警，提醒用户进行补水及补光操作[5]。

2.4    无线传输电路设计

无线传输电路选用ESP8266型Wi-Fi模块收发来自手机APP的数据，该模块遵循无线通信IEE 802.11系列协议，单片机通过USART串口与模块进行通信，模块将盆栽植物的湿度及光强信息传输给手机APP，同时接收来自手机APP的浇水、补光等指令。

2.5    自动浇水补光模块

自动浇水补光模块主要由继电器、水泵和LED光源组成。其中，继电器选用松乐SRD-5VDC-SL-A型继电器，线圈直流电压为5 V;水泵选用JT-DC3L-3型立式微型无堵塞潜水泵，该水泵工作电压小，流量及扬程符合盆栽植物供水需求，水泵放入蓄水池中，出水口接透明软管，置入盆栽底部。

3 系统软件设计

该盆栽植物管理系统总程序设计流程如图3所示，系统启动后进行初始化，然后分别采集土壤湿度和光照强度数据，并将数据与设定阈值进行比较判断。当湿度和光强高于阈值时，系统保持原状态，循环采集信息，对环境进行实时监控，否则系统会提示报警并执行自动浇水或自动补光程序。当湿度值低于设定的加水阈值时，系统启动自动浇水程序，控制水泵从蓄水池中抽水对土壤进行补水;当湿度值高于断水阈值时，系统停止浇水，其中加水阈值低于断水阈值。当检测到当前光强低于设定的光强阈值时，系统开始计时;当光照强度持续偏低超过设定的时间阈值时，系统启动补光程序，对植物连续补光一段时间后停止补光。

湿度和光强数据通过OLED显示屏显示，同时通过Wi-Fi上传至用户手机APP，手机APP客户端界面如图4所示。本设计有两种模式可供用户在手机APP端进行选择，分别是全托管和半托管模式。在全托管模式下，系统会根据土壤湿度和光照强度的变化，自动启动浇水和补光操作，用户只可以在手机APP终端查看湿度和光强信息。在半托管模式下，用户能够通过手机APP客户端实时监测盆栽植物生长的同时，可直接发送控制指令来远程浇花和补光，保证植物的生长[6]。

4 功能测试

该盆栽植物管理系统实物图如图5所示，设置土壤湿度加水阈值为30%，断水阈值为70%，准备不同湿度值分布在10%～80%的土壤，对系统补水功能进行测试，测试数据如表1所示。

设置光照强度阈值为5 000 lx，时间阈值为10 min，补光时间设为5 min，分别在光照强度为500～20 000 lx时对系统补光功能进行测试，测试数据如表2所示。

5 结语

本文设计的盆栽植物管理系统能够实现对盆栽的及时浇水和补光，能增强人们的培植乐趣，符合智能家居概念，具有一定的应用和推广价值。此设计还可以应用在粮仓、档案室等对温湿度要求敏感的地方，可以防止粮食霉变以及文档文件的字迹油渗扩散和退变。

[参考文献]

[1] 朱鑫乐，侯文静，惠金娣.基于单片机的智能花盆设计[J].信息技术与信息化，2020（2）：172-173.

[2] 韩梦迪，刘明，王帅，等.基于物联网的花卉养护远程监控系统设计[J].信息技术与网络安全，2019（7）：93-96.

[3] 纪秀，吴联梓，司远，等.基于AT89C52智能花盆控制系统研究[J].山东工业技术，2014（22）：169.

[4] 潘敏开，黄业盛，何俊蜓，等.一种交互式的物联网智能花盆系统设计[J].科技資讯，2017，15（2）：4-6.

[5] 王莹莹，许悦，金戈，等.基于Arduino平台的互动式智能盆栽设计[J].无线互联科技，2020，17（8）：58-59.

[6] 逯文杰，黎雪芬，李晓会.一种基于STM32的智能花盆机器人[J].科学技术创新，2019（25）：66-67.