基于单片机的智能花盆系统设计

引 言

随着人们生活质量逐步提高，越来越多的人对花卉表现 出极大的兴趣，在家里或公司养盆植物不仅可以陶冶情操，清 新空气，同时植物在白天可以通过光合作用吸收空气中的二氧 化碳，净化空气。在有植物的地方空气会变得格外清新，尤 其现阶段冬季雾霾严重，许多花木可以吸收空气中的有害气体， 尽量减少雾霾对人体的伤害。所以在办公室或家中养盆植物被 许多人喜爱，但上班族们工作压力大且没有时间照顾这些花花 草草，于是智能花盆系统应运而生。国外的智能家用市场已 做的非常强大，鉴于中国在全球制造链中的重要地位，中国已 成为全球各大生产智能家居设备厂商逐鹿的大战场，同时，也 带动了我国对智能家居设备的重视，使家居设备的研发和测 试技术都有了非常迅速的发展。虽然我国自动浇水器的项目已 经存在，但普遍采用普通的浇水器械，智能浇水的产品比较少。 目前市场上有很多不同的自动浇花器，但仅拥有定时或定量 功能的智能花盆还不够完善，浇水方式仍采用传统的雨幕式， 不仅无法充分利用水资源，还常会造成植物附近大面积积水， 容易造成植物凋零或死亡，未根据植物的生长状态来实现对 植物的合理灌溉 [1]。针对这些问题，我们设计了智能花卉种植 系统，该系统通过温湿度等传感器对环境进行检测，并能根 据光照强度或土壤温湿度等检测结果向用户的移动设备发送 短信，对植物进行自动浇水等操作。此花盆操作十分简单，大 大提高了用户的工作效率。智能家居在人们的生活中得到了越 来越多的认可和赞同，该智能花盆也基于此理念，所以其发展 前景十分广阔。

1 系统总体设计

该智能花盆由传感器数据采集部分、数据处理部分、GPRS 模块接受传送部分和手机 App 组成，其系统总体结构 如图 1 所示。

由温湿度等传感器对土壤和光照强度等环境数据收集至采集卡，然后传输到中央处理器 CPU，CPU 可将数据传送到GPRS 模块，此模块将具体的数据传送到数据库，以实现对数据的分类和处理，便于手机 App 对数据进行查询。手机 App 向GPRS 模块发送控制命令，把控制命令发送给中央处理器CPU对水泵进行控制，实现对植物的自动浇水等具体功能。同时，鉴于用户工作时间紧张，无法一直查看植物的生长环境和状态，因此，该系统还可针对植物的生长环境状况，适时在手机 App上对用户进行提醒。这些功能的最终实现，将会充分满足用户对智能花盆的需求，实现花盆真正的智能化和现代化，让科技真正走进人们的生活，提高用户的生活质量， 让用户在紧张的工作中得到放松。

2 硬件设计

2.1 电源模块

本智能花卉种植系统最主要的能量来源是电源模块，为了让整个系统稳定运行，本设计采用 +5 V 直流电源为单片机等设备供电，因为该系统主要在办公室或者家中使用，可采用 USB 或手机充电器充电，供电电压大多为+5 V。采用 USB 手机充电器充电的好处在于其通用性和实用性强[2]，使用简单快捷，方便用户利用文中设计的智能花盆呵护自己的植物健康生长。

2.2 单片机模块

单片机是本智能花盆系统的核心部分，设计采用了一款高性能、低功耗，型号为 STC89C52RC 的新一代 8051 单片机。8051 单片机具有抗干扰能力强、可靠性高、容易上手等诸多优点，同时，8051 还具有寻址范围大，运算能力强等特点。它具有 8 KB 程序 Flash 存储器，512 B RAM，通用 I/O 口 36 个， 看门狗定时器及外部掉电检测电路等[3-5]。此款 8051 单片机充分满足了本智能花盆系统对单片机的各种需求。

2.3 传感器模块

传感器模块主要包括土壤温湿度传感器和空气湿度传感器，实现对温湿度的采集。温度传感器选择使用DS18B20， 通过编程，DS18B20 可实现 9 ～12 位的温度读数。信息经单线接口送入DS18B20，从DS18B20 送出，因此，从单片机到DS18B20 仅需连接一条信号线和地线即可 [6]。空气温度传感器使用HS1101，这是一款电容式相对湿度传感器，此传感器可广泛应用于办公室、家庭或汽车驾驶室等，实现对空气湿度的检测[7]。另外，利用光敏电阻采集光照强度模拟电压，光敏电阻采用半导体材料制作、利用内光电效应工作的光电原件。在受光线影响时，其阻值会逐渐变小，这种变化被称为光导效应，因此，光敏电阻又名光导管。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压时，其中便会有电流通过，当适当波长的光线照射过来时，电流就会随着光强的增加而逐渐变大。利用光敏电阻将光信号转换成电信号，由相应的仪器对转换后的信号进行处理，以达到自动控制等功能[8]。此外，采集卡用于将采集到的光照强度和土壤湿度的模拟量转化为数字量并发送给处理器。

2.4 GPRS模块

因为 GPRS 用户依附在网络上，所以只要用户手机处于开机状态，便可随时与GPRS 网络联系，用户发出请求后，便可进行数据通信，使用简单快捷。传统的电路交换技术在通信时，无论有无数据传送都要独自占用信道，而 GPRS 的 分组技术克服了传统电路交换技术的缺点，只有在数据通信时才会占用信道资源，实现了一个用户共享多个信道，也可以多个用户共享一个信道的目标，提高了信道利用率，适用于数据传输[9]。帮助此系统实现真正的无线传输，可让用户工作之余感受到其中的乐趣。

3 软件设计

3.1 个人数据模块

个人数据模块如图 2 所示，主要包括登录用户个人信息的显示，如用户名、年龄和电话等信息，方便用户进行短信发送等功能的实现。同时，数据是一种个人资产 [10]，现在市场上有部分软件对用户的个人信息进行违法贩卖，而本智能花盆系统在绝对保证用户隐私的前提下对用户的个人信息进行合法使用。

3.2 折线图模块

对硬件设备采集的数据进行处理后，描点绘图，以折线图的形式展现出整个数据的变化趋势。折线统计图是用一定的长度表示一定的数量，根据数值大小描出各点，然后把各点用直线依次连接起来。折线统计图不仅可以表示数值大小， 还能够清晰表示数量增减变化的趋势。因此，折线图可以显示在相等时间间隔下数据的变化趋势[11]。对于采集的每一项数据空气温度，土壤湿度，土壤温度，光照强度等都能展现其变化趋势，方便用户更加具体、直观地观察，提早做好相应的保护措施。

折线图模块如图 3 所示。

3.3 控制模块

控制模块如图 4 所示。通过硬件的GPRS 模块接收短信， 在GPRS 模块中采用分组通信技术，用户在数据通信时并不会固定占用无线信道，所以能够更加合理地利用信道资源。同时，还可以实现短信传输、数据透明传输和语音等功能。当用户点击 浇水 后，后台会发送指定的口令短信到水泵，水泵自动浇水 15 s。用户不论身处何地，都可以方便快捷地控制自己的智能花盆，不受距离和时间的限制，实现对植物的实时照顾。

3.4 数据显示模块

每次打开App 都会显示最新采集的数据，用户可以在此模块看到实时数据与植物的健康状态。同时，用户也可以实现对最新数据的查询，服务器端接受查询命令后，从数据库查询到准确数据，并将数据返回客户端，向用户展示更加直观的数据。实时数据较好地消除了未来时点数据对过去时点信息的干扰，具有即时性和不包含噪音信息等优点[12]。

数据显示模块如图 5 所示。

4 结 语

该智能花卉种植系统通过传感器采集数据，由单片机控制运行，可通过手机 App 查看数据。智能花盆可对植物的生长状况以及周围的生长环境进行探测、感知并收集数据，同时还能自动浇水，使家庭种植更加科学和智能，减少因用户疏忽或失误导致作物凋零或死亡的几率。智能花盆的设计给人们紧张的生活带来了乐趣，符合现代生活的智能化趋势，具有一定的应用和参考价值。