孟磊，王冉，刘佳

(1.西安职业技术学院，陕西西安，710032；2.西安科技大学，陕西西安，710054）

植物智能养护系统和智能农业、微循环系统联系紧密，本文重点研究基于单片机的绿植养护系统，使人们可以将绿植带回家将好心情带回家，在环境问题岌岌可危、水资源严重匮乏、雾霾现象日益严重、全球的气温持续变暖的当下，良好的家居和工作环境成为人们的苛求。而在家中、工作场所、娱乐场所、儿童经常出入的场所，放置绿植花卉，可在释放氧气的同时吸收二氧化碳，植物还具有吸收有害气体的作用以减少对人体的伤害，以达到净化空气的目的，使人身心得到放松，增加趣味性。本文所研究的绿植养护系统操作简单、容易实现，在提高植物存活率的同时实现了远程控制，所取得的研究方法和创新可应用于现代农业、园林艺术以及微循环系统的控制提供了重要的研究范本[1]。

1 系统总体设计

根据影响植物生长的光照度、温度、湿度等因素[1]，设计可检测植物生长因素的装置，包括检测电路、控制电路、报警提示以及操作界面设计等项目。

■1.1 主控电路方案设计

使用STC12C5A60S2 单片机最小开发系统作为主控，有效缩短开发时间，该系列单片机片内具有大容量的FLASH 程序存储器，其中应用较为广泛的STC12C5A60S2 单片机内部自带高达60K FLASHROΜ，并且STC12 系列单片机可以和8051 指令、管脚完全兼容。

■1.2 温湿度检测电路设计

温度检测采用DHT11 温湿度传感器，土壤温湿度采用采用土壤湿度检测模块YL-69，利用安卓手机APP 控制，根据所预设的温湿度的上限值和下限值[2]进行继电器的动作控制。

■1.3 光照度检测电路

采用I2C 总线接口的16 位光强度传感器BH1750 作为感光元件测量外界的光照情况，该传感器的工作原理是通过感光部分的光强度变化来调整输出电平信号，其高分辨率的特点可以使其感测到1lx～65535lx 范围内的光照强度变化，感测范围比较数据准确。

■1.4 显示及控制电路设计

选用开发安卓手机APP。智能手机APP 操作控制的最大优点就是使用方便，用户可以随时随地了解植物所处的环境，同时也方便用户根据情况适时控制植物养护系统工作[3]。

2 系统硬件电路设计

本系统整体框图如图1 所示，该电路核心控制芯片选用STC12C5A60S2，主要由温度、湿度检测与控制模块，光照度检测与控制模块,水位检测报警模块以及安卓手机APP 控制软件组成。

图1 绿植养护系统整体框图

绿植智能养护系统实现的主要功能如下[4]：

(1)系统采用STC12 单片机并进行信息反馈；(2)采用数字式温湿度传感器DHT11，实时采集温湿度数据；(3)采用土壤湿度检测模块YL-69，实时采集土壤湿度数据；(4)利用光强度传感器BH1750，实时采集光照强度数据；(5)继电器控制水泵浇水及加湿模块工作；(6)利用安卓手机APP显示数据，提醒用户当前植物状态，并方便用户进行控制。

3 系统软件电路设计

该系统采用STC12 单片机为核心控制，基于Keil μVision4 软件进行编程，采用C 语言进行程序的编写，主要包括单片机系统主程序的设计以及各模块子程序的设计[5]。

■3.1 主程序设计

开启电源，主程序进行初始化设置，读取BH1750 光照度传感器检测数据，判断当前光照度设置的阈值是否达到植物生长需求，如果没有达到所设置阈值则说明光照不够，此时调用补光灯子程序打开补光灯，如果光照超过植物生长需求，则发送信息提醒需遮蔽阳光；植物生长温度检测模块，系统经过初始化设置后，采用DHT11 温湿度传感器检测当前环境的温度和湿度参数，经过检测后与预设的阈值进行比对，如果超过温度阈值则调用风扇控制子程序，开启风扇进行通风降温，并在APP 界面中显示当前温湿度值。

■3.2 光照度检测及控制程序设计

光照度传感器电路原理图如图2 所示，由光强度传感器判断植物生长环境的光照度是否达到阈值，根据判断的情况选择补光或者遮阳，其控制流程如图3 所示。

图2 光照度传感器电路原理图

图3 光照度检测及控制流程图

■3.3 温湿度检测及控制程序设计

温湿度检测及控制程序设计包括以下4 部分：

（1）温湿度阈值设定

根据植物生长环境研究报告中的数据参考，设定温湿度阈值[5]。

（2）温度采集程序设计

温度采集控制流程图如图4 所示，DHT11 数字温湿度传感器本身含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 米以上。产品为4 针单排引脚封装。该传感器含有的已校准数字信号输出，包括一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件，能与8 位单片机相连。由温度传感器DHT11 判断植物生长环境的温度是否达到阈值，根据判断的情况选择降温措施[6]，电路原理图如图5 所示。

图4 温度采集控制流程图

图5 温湿度采集模块电路原理图

（3）土壤湿度采集程序设计

土壤湿度采集控制电路原理图如图6 和图7 所示，由土壤湿度传感器判断植物生长环境的湿度是否达到阈值，根据判断的情况选择加湿或者浇水[7]，其控制原理如图8 所示。

图6 土壤探头探测信号放大电路

图7 土壤探头指示接口电路

图8 土壤湿度采集控制流程图

（4）水位检测程序设计

水位检测控制流程图如图9 所示，由非接触型液位传感器判断蓄水箱的储水量，根据判断的情况选择加水[8]。

图9 水位检测控制流程图

图10 浇水电机控制电路原理图

4 安卓APP 设计

绿植智能养护系统登录界面流程如图11 所示，首先判断是否联网，而进行相关设置。

图11 登录界面流程

进入绿植养护控制界面如图12 所示[9]， APP 界面设计，上部为摄像头所采集的植物当前生长状态图像；图像下部显示该植物的名称、习性、温度、浇水等状态信息；右下角显示当前光照度信息为3lx，温度20度，湿度45%，土壤湿度5；左下角显示补光灯开关状态信息。

图12 绿植控制主界面

5 系统功能测试

初次使用植物养护系统时，可点击左下方绿叶锄头图标，采集植物照片，并手动录入植物基本信息[10]，如图13 所示。例如名称：绿萝；习性：喜阴；温度：不低于12°C；浇水：浇透。等养护植物时要用到的提示信息。以便我们根据植物习性进行养护控制。

图13 绿植主控手机测试界面

可使用手动模式，电机左侧下面的三个开关，可分别控制开关补光灯，开关加湿器，开关浇水泵三个功能。右侧四个图标分别为传感器传送回的数据，从上至下分别为光照度、空气温度、空气湿度、土壤湿度参数，如图14 所示。也可点击左下方绿叶锄头图案，进入参数设置界面，可手动输入自动管护数据上下限，单片机根据所获取数据，自动执行相应操作。

图14 绿植参数设置界面

6 总结

现存的植物智能养护系统智能化低，多数为现场控制，而当植物遇到紧急事件或者用户需要短期外出时，植物因得不到及时的照顾枯萎，本文研究的远程控制证实以解决此类问题，为智能家居、智慧农业的进一步研究奠定基础。同时本文也体现了园艺技术专业和电气自动化专业的跨专业的结合，成功的展现出跨学科研究的可行性及应用价值[11]。