吕春晓，栗碧悦

（1.山西农业大学信息科学与工程学院，山西晋中 030801；2.上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

随着人们生活品质的不断提高，很多家庭通过养殖花卉来净化室内空气，美化室内环境。花卉的养殖需要主人精心的照料，所以一旦遇到花卉主人需要出差、旅行时，花卉的照料就成为一个问题[1]，因此设计一款远程浇花系统就显得尤其必要[2]。

在过去的几年里，出现了很多智能浇花系统的设计[3]，这些系统大都基于WIFI 及蓝牙控制[4]，其控制距离短，虽然使浇花更加便捷但不能解决出差旅行时对于花卉的照料。而对于远程浇花系统[5]，其设计的控制终端一般都为电脑[6]，电脑体积大，质量重，不易携带。而手机具有便携性和易操作性，因此该设计开发一款智能手机APP 控制的通过GPRS传输的远程浇花系统，可以使用户能够更加便捷地对花卉进行管理与照料。

1 远程浇花系统的总体设计

该系统采用STM32 作为主控芯片，首先由温湿度传感器采集花卉的土壤信息和环境信息并上传给STM32，STM32 对该数据信息进行处理判断，从而控制浇花模块的工作状态，并由显示模块显示采集到的环境参数。同时STM32 将该信息通过SIM800C 上传至服务器，手机端通过设计的APP 访问该服务器，从而实现用户对于花卉信息的查看，同时手机APP也可通过服务器将控制信号传输给SIM800C，再由SIM800C 将控制信息通过串口传输给STM32 从而控制浇花模块的工作。该系统的总体设计框图如图1所示。

图1 系统的总体设计框图

2 远程浇花系统的硬件设计

该系统的硬件电路以嵌入式芯片STM32 为主控端，通过传感器采集土壤湿度和环境温湿度。STM32将采集到的信息进行读取和判断，在LCD 上显示，并通过控制继电器的开关来控制水泵的工作，同时STM32 需要利用串口完成与SIM800C 芯片的数据通信。

2.1 温湿度检测模块

该模块的主要任务是测试土壤的湿度以及空气的温湿度，其中测试土壤湿度的传感器选用的是电容式土壤湿度传感器[7]。该传感器稳定性好，且可直接插入土壤，不易被腐蚀，可以在-10～60 ℃的温度下使用，其工作电压为3.3～5.5 V。该传感器有三个引脚，分别为电源、接地和输出引脚；其中输出引脚输出模拟信号0～3 V。该引脚接STM32 内部ADC 的模拟输入口PA1。输入的模拟信号用STM32 内部的ADC 转换为数字信号从而计算出其湿度值。其电路图如图2 所示。

图2 土壤湿度传感器电路图

测试空气温湿度的传感器选用的是数字型传感器DHT11，该传感器为温湿两用的传感器[8]。可测的湿度范围为5%～95%RH，测量精度为±5%RH，可测温度范围为-20.0～+60.0 ℃，测量精度为±2 ℃，工作电压为3.3～5.5 V，输出为40 bit 的串行数字信号，其中低8 位为校验位，8-23 位为温度的整数和小数的数据，24-39 位为湿度的整数和小数数据。该传感器有三个引脚，分别为电源VDD、接地引脚GND 和输出引脚DATA，其中电源引脚VDD接+5 V电源，GND引脚接地，其输出引脚DATA 输出数字信号到STM32的I/O 口PA6，STM32 根据其 传入的40 bit数字信号求得相应的温湿度的值。其电路图如图3 所示。

图3 空气温湿度传感器电路图

2.2 浇花模块

该模块的主要任务是根据STM32 发出的指令，控制继电器的开断，从而控制水泵的工作[9]。其电路图如图4 所示，当PA10 输出信号0 时，三极管工作在放大状态，继电器导通，电机工作开始浇花。图中二极管为续流二极管，其作用是保护三极管不被损耗，在电路工作时可缓慢释放掉继电器线圈内生成的反向电动势。

图4 浇水模块电路图

2.3 通信模块

该模块的作用是STM32 通过SIM800C 将温湿度信息传输出去[10]。SIM800C 为SIM 公司于2015 年生产，其工作电压为3.4～4.4 V，可利用天线采用GPRS技术进行无线通信，支持AT 指令控制。STM32 的串口通过AT 指令来控制SIM800C 模块的相应动作[11]，STM32 可通过“AT+CPIN=“TCP”等实现远程连接，具体指令如表1 所示。

表1 AT指令表

该模块分为通信电路和SIM 卡的ESD 防护电路。SIM800C 模块与STM32 利用串行通信进行信息传输，由于电路需要进行3.3V 的电平匹配，需要在STM32 的RXD/TXD 引脚上外接一个1 kΩ的电阻，其电路图如图5 所示。

图5 SIM800C与STM32的通信电路图

GPRS 模块的正常使用需要SIM 卡作为物理介质，生活中使用SIM 卡时会经常插拔，这就使得卡难免会触及到ESD 产生源发生掉卡现象[12]。因此把ESD 保护器件工作设计在参数的极限附近，该设计尽量选择反应速度极快、灵敏性高的元器件，避免了在强干扰的环境下发生SIM 掉卡的情形，有效地保护了器件，因此在SIM800C 模块中设计有SIM 卡的ESD 防护电路。其电路图如图6 所示。

图6 SIM卡的ESD防护电路

2.4 DC-DC电路设计

STM32 的工作电压为3.3 V，所以电路要进行降压处理，AMS1117 电源稳压芯片是5 V 转3 V 电路中使用最简单有效的芯片，但是该芯片降压后会有较大的纹波[13]，所以在设计时加入0.1 μF 的瓷片电容，用来滤除电路中的高频信号得到稳定的电源，其降压图如图7 所示。

图7 5 V-3.3 V的降压电路图

SIM800C 模块的工作电压为4 V,因此SIM800C的电源端也需要搭建降压电路，将5 V 的电压降到4 V，该降压电路常用的芯片为MIC29302WU，该芯片是一个低成本、高精度的电压调节器[14]，其降压电路图如图8 所示。

图8 5 V-4 V降压电路图

3 远程浇花系统软件的设计

3.1 STM32内部程序设计

STM32 作为主控芯片，主要负责信息的采集和控制水泵浇花。上电后，对系统时钟、I/O口、定时器等初始化，传感器将采集的土壤信息和环境信息传给STM32 时，STM32 将该土壤湿度的模拟信号通过A/D 转换为数字信号。同时从DHT11 传入的数据中提取环境的温湿度数据。并判断采集的湿度是否超过阈值从而控制水泵是否工作。同时将采集的数据传送给SIM800C，由SIM800C 传送到服务器，再由服务器传送到手机终端。手机终端根据传来的数据发送控制信号。控制信号通过SIM800C 传输到STM32来控制水泵的工作。其流程图如图9 所示。

图9 STM32程序流程图

3.2 服务器的连接

STM32 通过服务器与手机终端连接，因此在设计中要进行服务器的连接，SIM800C 模块通过花生壳软件与服务器通信。在电脑端下载花生壳软件，并进行账号注册，登录账号进行IP 设置。设置成功后打开网络调试助手，设置本地主机地址与花生壳软件的内网主机地址相同，点击连接，同时检测SIM800C 模块是否把参数上传到服务器上，其测试图如图10 所示。

图10 网络调试助手测试图

3.3 Android端的程序设计

目前大部分智能手机都为Android 系统，且Android 系统具有开源性，因此它受到了大批软件开发人员的青睐[15]。目前最常用的Android 系统的开发环境为Android Studio，其具有功能丰富的模拟器和强大的布局编辑器，在开发软件时，可方便快捷地搭建开发环境[16]。因此在该设计中利用软件Android Studio进行Android端APP的开发。该APP使用JAVA语言进行开发，并利用Android Studio 作为Android 端APK 的编程工具。其主要显示浇花系统各部分的状态及花卉的温湿度，并设置控制端控制水泵的工作。

在创建主界面前，先开启Activity 子类，并在继承类中重写oncreat()方法，这时可以使界面进入到监听状态。该APP 的登录功能主要通过EditText 控件、TextView 控件等实现。在登录该APP 时，首先要对服务器进行配置和连接，用户在配置服务器时需要输入花生壳软件设置的IP 地址和端口号。配置成功将提示“配置成功，请连接服务器！”，最后再点击“连接服务器”，连接成功将提示“服务器连接成功”。相关内容如图11 所示。

图11 手机端连接服务器

4 系统调试

4.1 硬件调试

将电容式土壤湿度传感器插入土壤，DHT11 放在空气中，打开电源。打开串口助手，设置串口的串口号和波特率，并设置IP 地址和端口号。设置完成后打开串口，这时对话框提示“串口已打开!IP 设置成功!端口号设置成功”，如图12 所示，表明硬件电路已经连接好。同时在LCD 显示屏上显示空气温湿度，土壤湿度及水泵开关状态的信息，如图13 所示。

图12 串口参数的配置

图13 硬件调试实物图

4.2 软件调试

硬件电路调试完成后，上位机软件与其连接成功，在所设计的手机APP 上输入服务器端的端口号和IP 地址。当出现“服务器连接成功”的提示后表示连接成功，这时用户可以根据需求查看环境参数及控制水泵的工作状态，工作时长及设置系统处于自动模式下的阈值。根据测试该系统达到了远程浇花的目的，且运行稳定，反应灵敏。

5 结论

该系统是基于STM32 为控制芯片制作的一款远程浇花系统，通过SIM800C 芯片进行通信，与传统的蓝牙和WIFI 相比具有永远在线，传输距离不受限制等特点；且制作了一款手机APP 监控该浇花系统，与原有的SIM 传输的短信息指令控制相比更加直观、快捷、方便。该系统可以发展应用到物联网农业中，实时监控农业生产中的温度和湿度，在农业灌溉中，具有广阔的应用前景。