基于物联网的智能浇花演示系统的设计与实现.doc
李雨璇 陈刚
摘 要： 本系统能高效方便地管理盆栽，以满足养花族照顾盆栽的需求。系统采用STM32单片机系统，采用OV2640摄像头模块和DHT11温湿度传感器模块作为外围电路收集相应的图像和温湿度信息，对盆栽进行实时监测，并通过HLK-RM04的WIFI模块上传数据到本地服务器。通过网页用户可查看相应盆栽数据，并进行远程控制。
关键词： STM32单片机； 物联网； 远程控制； 实时监测； 传感器
中图分类号：TP273 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2018）06-32-03
Design of intelligent watering system with single-chip microcomputer
Li Yuxuan1， Chen Gang2
（1. College of Information Science and Technology， Hunan Agricultural University， Changsha， Hunan 410128， China；
2. College of Information Science and Technology， Hunan Agricultural University）
Abstract： The system can efficiently and conveniently manage potted plant to meet the needs of the flower growers to take care the potted plant. The system uses STM32 single-chip microcontroller system， adopts OV2640 camera module and DHT11 temperature and humidity sensor module as peripheral circuit to collect the corresponding information of image， temperature and humidity for real-time monitoring of potted plant， and through the WiFi module HLK-RM04 uploads data to a local server. Via a Web browser users can view the data of potted plant and make remote control.
Key words： STM32 single-chip microcomputer； Internet of Things； remote control； real-time monitoring； sensor
0 引言
随着科学技术不断发展和人们生活水平不断提高，人民群众对美好生活的需求越来越迫切。越来越多的人开始在工作学习之余，在家里或办公室里养殖盆栽，这已成为了人们日常美好生活需求的一个重要组成部分。盆栽可以净化空气，使人身心愉悦，营造良好的办公环境，提高工作积极性。但是随着生活节奏的不断变快，很多养花族没有足够的时间照顾花草。有时遇到有事需外出多日，家里的花草盆栽会缺乏照顾甚至导致枯萎死亡。这不仅造成了一定的个人经济损失，对养花人本身也是一种精神上的损失。并且很多花卉市场、酒店、公司养有大量的花卉，他们的浇花更是一项繁杂的工程[1]。不同的花卉对应不同的需水量，人工操作费时费力而且不易于控制水量。为解决这个问题，近年来国内网市场应运而生了多种自动浇花器，不同系统功能和控制原理虽不尽相同，但目的都是为了保证花草正常生长，方便人们的日常生活。
该系统相关设计是在三十年前发展于日本和欧美国家，在之后十几年才进入中国市场，随着科技的不断发展，传感器的精准度得到了很大的提升，同时伴随着物联网技术的发展以及各种网络模块的出现，推动了智能浇花系统向物联网方向的发展。
目前国外相应技术发展较为成熟，如Droplet智能喷灌设置。其主要功能是利用云端数据处理系统，实现对特定区域的浇水。该系统有专门的云端软件与硬件端通信，故该系统可在植物水分不足时及时浇灌。若用户因工作忙碌无法定时浇水，也可预设相关工作处理过程，当需执行该任务时，下达命令即可。目前国内较成熟的产品之为海尔“菜多多”智能家庭阳台种植机。该系统内部自动形成一个智能微生态环境，将植物种植在其中，该系统可智能监测其水分温度光照等信息，并且利用WIFI模块上传网络，供用户利用手机APP实时查看。目前市场上比较全面新型的智能浇花系统在传感器上做的非常完美，可采集非常详细的数据，在网络连接上主要有WIFI、Zigbee、3G、4G模块上传云平台，之后与手机APP、小程序或者网页连接。且该系统还可延展到智能农业中[2]。但目前国内较少使用摄像头进行图像采集，且很多方案在远程控制上还存在较多不足，无法满足日益增长的市场需求。
基于国内目前智能浇花系统中存在的一些缺陷，需设计一款让用户可实时监测到盆栽信息并能通过控制虚拟开关来远程控制盆栽浇水情况的系统[3]。基于单片机的物联网智能浇花系统可以满足要求。
1 系统总体设计
本系统设计以STM32为核心控制芯片，采用OV2640摄像头模块和DHT11温湿度传感器模块作为外围电路收集相应的图像和温湿度数据，对盆栽进行实时监测。并通过HLK-RM04的WIFI模塊上传数据到搭建的本地服务器，该服务器目前由自己笔记本电脑搭建，用户可通过手机或者PC机查看相应盆栽数据[4]。并通过用户端和服务器端的网络通信交互，即通过控制网页端或者手机端程序的开关按钮将指令传递到硬件，从而控制硬件端继电器模块最终实现远程控制。系统总体设计流程图如图1所示。
[本地服务器][WIFI模块][开/关][图像显示][温湿度显示] [网页端][STM32最小
单片机系统][继电器][摄像头模块][温湿度传感器]
2.1 STM32最小单片机系统
STM32最小单片机系统由核心控制芯片STM32F103C8T6、电源供电模块、启动模式、下载电路和复位电路五部分构成。核心控制芯片STM32F103C8T6为32位ARM微控制器，完全满足物联网智能浇花系统的嵌入式控制要求。电源采用4.2V锂电池供电方式，其中采用LM1117-3.3V稳压芯片进行降压得到3.3V电压供整个电路使用。
⑴ 摄像头图像采集电路
摄像头图形采集电路基于OV2640传感器实现。OV2640是利用SCCB总线控制的小型CMOS UXGA图像传感器[5]。该传感器体积小、工作电压低，可提供单片UXGA摄像头和影像处理器的所有功能[6]。其中UXGA图像每秒可达到15帧，能够满足浇花系统的远程视频功能。
⑵ 温湿度采集电路
温湿度采集电路基于DHT11传感器实现。该模块功耗低且抗干扰能力强，采用单总线串行模式，实现功能较简单可靠，能较好的满足阳台花盆的温湿度采集需求。其数据采集过程大致為核心控制芯片发送开始信号，温湿度传感器由低功耗到高速模式，采集信号完成后，DHT11开始响应并将采集数据发送[7]。此时控制端开始接收数据并将数据保存，用户可远程实时监测花卉盆栽的温湿度情况。
⑶ WIFI电路
WIFI电路基于HLK-RM04的无线模块实现。该传感器基于通用串行接口，并且符合网络标准的嵌入式无线传输模块，能够满足用户在无线网、以太网、串口这三个接口之间的数据转换。内置相应的协议栈。该模块与传统WIFI模块不同之处在于无需复杂配置且可提供整套解决方案，可以直接通过网络传输数据。模块可使无线网与本地服务器进行数据连接交互从而实现数据传输和远程控制。
⑷ 继电器模块电路
继电器模块电路在该系统中的作用为模拟浇花装置开关。继电器根据用户在网页端的开＼关指示不断吸和进行浇水操作。继电器模块工作电压为5V，触发电流为5mA，触发方式为手动跳线设置且分别为高低电平触发。绿色为电源指示灯，红色为状态指示灯。当远程控制时继电器会不断吸合，状态指示灯也会不断亮灭。
2.2 实物展示
3 系统软件设计
本系统设计以STM32为核心控制芯片，服务器端通过花生壳进行PC机本地服务器进行内网映射实现远程浇花功能，简单可靠，有重要的应用价值。系统由多个模块整合而成，通过OV2640摄像头模块和DHT11温湿度传感器模块作为外围电路收集相应的图像和温湿度数据，对盆栽进行实时监测。并采用HLK-RM04的WIFI模块上传数据到搭建的本地服务器，实现相应的网页远程查看即用户可通过网页查看相应盆栽数据。并通过用户端和服务器端的网络通信交互，即通过控制网页端的开关按钮，可将指令传递到硬件端，从而控制硬件端继电器模块最终实现远程控制。
4 结束语
本系统采用STM32单片机作为主控芯片，设计了一款物联网智能浇花系统[8]。该系统由多个模块整合而成。外围传感器包括摄像头、WIFI模块、继电器模块、温湿度传感器。摄像头和温湿度传感器收集花卉盆栽的水分温度数据然后通过WIFI模块上传本地服务器，用户通过网页端查看花卉盆栽信息并实现监控和远程控制，结合软硬件的模拟完成智能浇花的操作过程[9]。
该系统很好的解决了喜欢种植花卉盆栽的人们长时间外出导致花卉盆栽无人看护的问题。但是由于该系统主要是通过模拟实现相对应功能，有些模块功能还需进一步完善[10]。如数据采集端目前只使用了温湿度传感器DHT11，没有特定的测量土壤温湿度模块。故不能精准、全面的测量土壤温湿度及其他有关数据。对此问题，后续将会深入研究，采用YL-69湿度传感器、DS18B20温度传感器等，测量土壤各方面数据，并争取将该模拟系统应用到实际生活中。
参考文献（References）：
[1] 徐文媛，庞永河.基于太阳能供电的智能雨水利用浇花装置[J].
中外企业家，2015.6：265-266
[2] 宋艳.基于物联网技术的智能农业种植系统设计[J].现代电
子技术，2013.36（24）：38-39，42
[3] 张兆明.基于AT89S52 的家庭智能浇花器的设计[J].电子设
计工程，2011.5：39-41，44
[4] 陈玉敏，谢伟，孟宪民.基于STM32的温度控制实验设计[J].
现代电子技术，2016.39（12）：37-40
[5] 郑晶晶，贾宇飞，周明亮.图像采集系统的研究与设计[J].现代
电子技术，2015.38（4）：94-97
[6] 王鹤.智能灯光控制系统的研制[D].长安大学，2011.3.
[7] 李文琛.基于多传感器数据融合的无线环境监测系统[D].南
京理工大学，2014.7.
[8] 郭帅，宁礼佳，鲍玉冬等.基于手机遥控的智能浇灌系统设计
研究[J].安徽农业科学，2014.18：328-329
[9] 陈立刚，冯伟伟，周智颖等.基于Android客户端GSM短信模
块的远程浇花系统[J].电子设计工程，2016.1：165-168
[10] 赵丽，张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长
春大学学报（自然科学版），2012.6：650-651，66
