基于物联网的室内绿植微环境系统研究与实现

王哲　于莉莉　高占民　候喜静　徐良

摘要：生活在城市中的人们与生机盎然的大自然已渐行渐远，这在很大程度上激发了人们对绿色植物的渴求，绿色生态意识获得了空前的提高，成为空间陈设的关注焦点。该文利用传感器技术，通过单片机控制并设计WIFI模块实现手机控制，同时在系统中增加了加湿模块，集净化空气加湿一体化设计，对室内绿植智能化精准养殖做了一次全新的尝试。

关键词：单片机；物联网；专家库；加湿

随着城市空气质量问题的产生，净化空气市场日渐兴起，绿色植物成本低、无二次污染、美化环境、净化空气等特点，成为市场追捧的热点。市面上出现了许多如植物墙等设计公司，但大都设计复杂，价格昂贵，需要较大空间，而且后期维护成本高，这样导致了其发展的局限性。本设计是基于物联网技术，由单片机控制器，传感器模块和WiFi无线传输模块共同组成。由特定的底盆，个性化的绿植，结合雾化系统，实现绿植净化空气、雾化加湿及美观于一体的功能。可以实时监控周边和土壤内环境，实时报警并根据数据分析及时做出决策，并建立一套满足大多数室内植物生长习性的参数数据库满足植物多样性要求，同时可以实现通过移动终端远程访问的功能。

1绿植微环境系统设计

基于物联网的绿植微环境系统是集数据采集、数据处理、反馈控制、远程访问等功能为一体的软件和硬件的系统，系统的主要功能是利用环境温湿度传感器、光照强度传感器、土壤湿度传感器，实时地对花盆内植物的环境湿度、环境温度、光照强度和土壤湿度等信息进行采集，然后经STCl5W4K48S4单片机对采集的数据进行处理，通过串口将处理后的数据传输到LED显示屏和配置好的WiFi无线模块，WiFi模块再将数据发送到互联网的服务端，用户可以通过实际情况选择在显示屏上直接查看或者通过局域网或互联网在浏览器上访问控制系统，实现远程访问和远程控制。同时本系统将建立专家植物数据库，并可以不断对数据库数据进行更新，用采集到的数据与设定好的相应的生长环境的数据进行比对，若与设定值不同，就会控制蜂鸣器发出报警提示同时执行相应的预设操作。使植物能够获得更适宜的生长环境。

2系统硬件设计

2.1电源转换电路

由于STC15W4K48S4单片机和各种传感器均需要5V的直流电源供电，但是WiFi模块和水泵则分别需要3.3V和12V的电源供电，因此本文选择LM117稳压芯片和LM2577稳压芯片作为降压模块和升压模块的主芯片。LM117稳压芯片的工作电压为输入直流电压4.7V～10V，输出直流电压3.3V。模块输出最大工作电流为800mA，完全满足本设计的需求，其降压电路如图2所示。图2中Vin端输入5V电压，Vout输出3.3V电压。本设计选用LM2577升压模块的工作电压为输入直流电压3v～24V，输出直流电压3V～32V。模块输出最大电流为1.2A，本设计采用高效率散热片，增加了滤波电路并有效地减少了输出波纹，使模块的输出效率更高，输出电压更稳定。其升压电路如图3所示，P1和P2分别为输入电压5v和输出电压3.3V。

2.2传感器模块

由于需要采集适宜绿植生长所需要的温度、湿度、光照强度、和土壤湿度等环境参数，所以本设计选择以下这4个传感器。针对空气温度和湿度本文选用DHT11温湿度传感器，其测量量程分别为0-50℃、0%-100%，测量误差分别为±2℃、±5%；对于光照强度的测量选择的是BHl750FVI传感器，其光照强度范围为0-655351x；土壤湿度传感器采用YL69土壤濕度传感器，通过本传感器A0引脚采集到的土壤湿度模拟量，土壤湿度越大，获取的模拟量越大，再通过STCl5W4K48S4单片机核心板上的10位A/D转换器进行模数转化，使获取的数据更加准确。为了提高YL69土壤湿度传感器的导电性能，同时防止传感器接触土壤易出现生锈的问题，本设计中的土壤湿度传感器在检测表面进行了镀镍处理，大大延长了传感器的使用寿命。

2.3数据处理电路

本设计的主控制芯片选用的是STCl5W4K48S4单片机，STCl5W4K48S4单片机是高速、宽电压、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8—12倍。内置5个16位定时器/计数器，4个高速异步串行通信端口，6路15位PWM，8通道10位高速ADC，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路。各传感器通过单片机核心板的控制，对花盆周围的环境参数进行实时采集，将采集到的数据输入到主控芯片中，经过处理将其分类转化为我们所需要的环境湿度值、环境温度值、光照强度值和土壤湿度值，然后通过芯片内集成的串行通信端口将处理后的数据传输到花盆自带的显示屏和WiFi无线通信模块上。控制器采集显示电路如图4所示。

2.4报警电路

当植物的某个生长参数超出系统的预设值时，系统能够通过蜂鸣器进行提示报警，相对应的指示灯会亮起，并在显示屏上给出合理建议，报警电路设计图如图5所示。

2.5加湿器和水泵控制电路

本文系统能自动维护环境空气湿度在一个合理的范围（用户可预设），当湿度低于或高于此阈值时，系统将启动或关闭加湿模块；系统还能自动维护土壤含水量在一个合理适宜的范围（不同植物根据植物数据库中数据设定），当土壤含水量出现超限报警时，系统能自行浇水；加湿器和水泵的控制电路如图6所示。

2.6无线模块的电路设计

现今常见的无线传输技术有GSM通讯技术、Zig-gee技术、NFC近场通讯技术和WiFi无线传输技术。由于WiFi具有传输速度快，有效距离长，使用户无论在世界上哪个角落，只要有3G/4G或wifi网络都可以控制家中的家用电器、灯泡、插座的等智能产品的优点，所以本设计中使用的无线通讯技术为WiFi无线通讯技术。本设计选用ESP-12E WiFi模块，使用AT指令进行开发，支持STA+AP模式同时存在单独STA和单独AP模式，是一款基于乐鑫ESP8266的一款超低功耗的UART-WiFi模块，是一款专为移动设备和物联网应用设计的模块。本WiFi模块采用的是ESP8266射频芯片，其工作电压为3.0～3.6V，本设计采用3.3V电压。WiFi模块可以作为客户端或服务端，本设计使用的是服务端模式，其与单片机连接的电路图如图7所示

3系统软件设计

3.1下位机数据采集显示软件设计

本系统中对环境参数的采集和处理是由传感器和单片机共同完成的。传感器采集到的环境参数经单片机处理后，在花盆自身的显示屏上显示出来，如超过预定阀值，对应参数的指示灯会被点亮，蜂鸣器会定时报警，显示屏上也会显示相关建议。同时，单片机会将处理过的环境参数通过WiF的无线传输方式发送至上位机和手机APP。下位机软件流程图如图8所示

3.2上位机工作流程图

上位机在绿植微环境系统中起到了数据接收，设置各项参数阀值和显示的作用，其软件流程图如图9所示。

3.3 WiFi通信软件设计

植物体养殖过程全部数据都可通过室内WiFi上传至数据库，上传过程由单片机核心板与WiFi模块共同完成。首先使用核心板上的串口通信功能将AT指令发送给WiFi模块对WiFi模块进行配置（配置WiFi的工作模式、名字、密码、IP地址和通讯协议等），无线WiFi模式有待WiFi配置完成后将传感器所检测到的数据通过WiFi模块上传至云端数据库（使用TCP协议、远端IP地址和远端端口），使用户能够实时的查看花盆的实际情况。用户可选择使用手机APP或电脑上位机直接查看或控制花盆。

4结束语

绿植陈设不仅可以装饰美化居室环境，避免空间环境的单一呆板，弥补硬装的缺陷，还可以改善室内空气质量，在室内环境中营造出自然清新的室内氛围，有益于人的身心健康，让人即使身处室内也能感受到大自然的气息。