曹静　唐冰钊　盖晓华

摘要：本文设计了一款智能盆栽控制系统，该系统可以检测盆栽的生长环境信息，自动控温控湿，补充光照。系统分为设备端和客户端两部分，设备端以ESP8266为主控芯片，通过检测DS18B20测温传感器、电容式土壤测湿传感器、BH1705光照传感器采集到的环境数据，控制风扇、电热丝、水泵和补光灯等执行元件工作实现自动控温、控湿，补充光照;客户端设计了微信小程序，使用阿里云服务器实现与设备端的通讯，用户可以通过手机监测植物的生长环境信息，并进行控制，实现了盆栽的智能管理。

关键词：盆栽管理;温度控制;湿度控制;物联网

引言

为适应健康生活的潮流，越来越多的人选择在家里和办公场所种植绿色盆栽植物，这不仅是一种乐趣，让生活更加丰富，同时绿植能够净化空气，有益身心健康。植物的健康生长离不开适宜的温度、湿度以及光照，但随着生活节奏的加快，很多人因无暇照顾而导致绿植枯萎致死。因此，为了让花草得到悉心照顾，设计一款能自动进行补光浇水的智能花盆有一定的实用价值。

1 总体方案设计

智能盆栽控制系统设计分为设备端和客户端两大部分。设备端主要完成数据的采集、处理和发送功能：通过主控制器接收传感器采集到的温度、湿度、光照等环境信息，控制相关执行元件，实现对温度、湿度、光照强度的控制。同时借助互联网，将设备端采集的数据上传到云服务器，再将其发送到客户端——用户设备端，供用户访问，确保用户在联网条件下可随时随地获取盆栽植物生长环境信息。设计方案如图1所示。

2 系统硬件设计

ESP8266是一款具备32位Tensilica处理器的联网功能且集成度高、功耗低的WIFI模块，可以构建独立的网络控制器。选用可以实现控制功能的ESP8266 WIFI模块作为系统的控制器，既能够满足系统设计要求，又比采用独立控制器+WIFI模块的常规模式降低了成本，提高了系统的性价比。系统的硬件电路分为主控、电源、检测和控制电路四部分。下面着重介绍检测电路、控制电路两部分。

2.1检测电路

2.1.1温度传感模块

温度检测装置选择常用的数字温度传感器DS18B20，其输出的是数字信号，检测范围是-55℃～+125℃，固有测温误差1℃。DS18B20的数据端DQ接到主控板的D3引脚上用于数据传输，电源引脚VDD外接3.3V直流电源，GND接地。

2.1.2湿度检测模块

土壤湿度的测量选用电容式土壤湿度传感器，工作电压3.3～5.5V，输出电压0～3V。检测法是电容感应原理，解决了电阻式传感器容易被腐蚀的问题，工作寿命更长。电容式土壤湿度传感器的三个引脚分别是GND接地端，VDD电源引脚和DQ数据输入输出引脚。电容式土壤湿度传感器是AD采集方式。

2.1.3光照检测模块

光照传感器选用BH1750FVI，检测范围在1到65535 lx之间，光照检测电路如图2所示。

BH1750FVI共有五个引脚，分别是接地端GND，IIC地址引脚ADDR，IIC总线数据线SDA，IIC总线时钟线SCL，电源引脚VCC。设计中BH1705采集光照协议是IIC，将SDA数据线和SCL时钟线分别接在主控的D1和D2，VCC外接3.3V直流电源，GND接地，不使用ADDR引脚，将其接地。

2.2控制电路模块

控制电路部分使用电机驱动板分别控制风扇、电热丝、水泵和补光灯。控制模块电路图如图3所示。

为简化电路，将电机驱动板输入端口的所有接地端连接共同接地。电机驱动板A+、B+、C+、D+端分别接主控板的D5～D8引脚，通过电机驱动器输出PWM信号控制执行装置的通断。

3 系统软件设计

3.1设备端软件设计

软件编译环境选择便捷灵活的Arduino，设备端软件设计流程如图4所示。

3.2用户端软件设计

设备端程序编写采用C语言，而微信端是Java编程，二者在阿里云服务器进行数据传输时会存在一些不兼容，为解决这一问题，需选用一种高效的策略统一标准，先将不同格式的编程语言进行标准化统一，再进行优化。本设计采用了JSON数据交换格式。JSON数据格式简单，易于读写、解析和编写，且都是压缩格式，占用带宽小，支持C ， Java等多种语言。设计中基于JSON数据格式开发了一款编程语言标准化工具，能够将不同的编程语言设统一导出为JSON格式，便于自动分析对比，提高策略梳理效率和准确性。

4 物联网数据传输

通过阿里云平台完成ESP设备端与微信用户端的数据传输的设计依据为：阿里云物联网平台作为数据中转站，对每个设备定义两个分别用于接收和发送数据的地址topic。云服务器平台通过topic接受设备发送的数据或向设备发送数据，不同topic之间的数据传递通过云服务器内部云产品流程进行传递。设备间数据传输如图5所示。

5 测试与分析

系统测试主要包括三个方面：（1）ESP设备端通过阿里云服务器能否将温度、湿度、光照的检测值准确无误地发送到微信用户端;（2）微信用户端通过阿里云服务器能否将温度、湿度、光照的设定值发送到ESP设备端。（3）当ESP设备端接收到用户命令及现场采集数据，能否控制执行装置及时动作，使温度、湿度和光照快速到达设定值。

5.1微信用户端接收数据测试

开启设备，传感器开始检测当前温、湿度和光照，每2s采集一次，并发送给阿里云服务器，再由阿里云服务器发送给微信端，测试结果是，云端和微信端均可接收到当前值，数据一致且正常显示，效果符合预期，测设结果如图6所示。

5.2 ESP設备端接收命令测试

通过微信端设置的滑动条改变温度、湿度、光照的设定值，例如设置温度16℃，湿度44%RH，光照415%lx，通过阿里云将设定值发送给ESP设备端， ESP接收到的设定值通过串口发送到电脑串口调试窗口进行显示。测试结果为设备端可以准确快速地接收到微信端发送的设定值。

5.3 ESP设备端控制测试

微信用户端向ESP设备端发送光照设定值，设定为600lx。如图7所示，测试结果为执行装置能够快速动作，用户端接收到的现场采集数据能够迅速到达设定值。

6 结论

通过搭建智能盆栽的硬件模型，进行系统的实时数据采集、数据传输及控制效果的测试，系统设备端和用户端各项功能均达到设计要求，实现了盆栽环境的智能控制，有一定的实用价值。

参考文献

[1]涂颖，刘叶林，李刚.基于STM32智能盆栽远程补光浇水设计[J].电子制作，2018（13）：26-28.

[2]王薇，祖静，张瑜.简易自动浇花机的设计[J].电子测试，2011（6）：106-109.

[3]李升红.基于STM32和WIFI技术的家居盆栽植物智能监控系统[D].武汉轻工大学，2018.

[4]刘博.基于BH1750光照强度数据采集系统的设计[J].河南科技，2016：（13）：27-28.

[5]韩国龙，王伟等.防火墙策略梳理与优化办法研究[J].电力信息与通信技术，2018，16（6）：31-35.

[6]许珂，杨旭东，范玉强.一种基于JSON的防火墙策略标准化及优化办法[J].电力信息与通信技术，2020，18（02）：42-48.

[7]鲍军民.MQTT协议与阿里云的纺机设备监控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（4）：32-35.

作者简介

1.曹静，女，22岁，汉族，南阳理工学院自动化专业本科学生，曾获河南省机器人竞赛三等奖。

2.唐冰钊，男，21岁，汉族，南阳理工学院自动化专业本科学生，曾获河南省机器人竞赛一等奖，全国大学生电子设计竞赛省级三等奖。3.盖晓华，女，53岁，汉族，南阳理工学院，教授，通讯作者。