【IoT开发】机智云平台+STM32的植物浇水系统的设计与实现
本帖最后由 Kara 于 2024-1-16 16:02 编辑【IoT开发】机智云平台+STM32的植物浇水系统的设计与实现
摘要:由于城市居民工作忙，生活节奏快，人们经常忘记给植物浇水，为此设计一款基于STM32的植物浇水系统，主要由STM32单片机、土壤湿度传感器、温湿度传感器、Wi-Fi模块、水泵系统、继电器以及OLED液晶显示屏等构成，实现手动或自动浇水和远程监控。当土壤湿度传感器检测到土壤中的湿度较低时，自动启动浇水系统浇水，直到土壤湿度达标。同时，用户可以通过手机App实时查看土壤湿度数据与空气温湿度数据、设置浇水模式等。该系统硬件电路成本低，运行稳定，实现了智能浇水。
0引言
随着科学技术的进步和人民生活质量的提高，越来越多的居民在自家阳台种植花卉植物，以改善家中的空气质量并陶冶情操。但由于生活节奏较快，人们常常忘记或者无法及时给花卉浇水而导致花卉枯萎。研究表明，花卉生长过程中枯萎有百分之八十是由于浇水不当引起的，浇水不宜过多也不能过少,因此如何给花卉浇水是一个不可忽视的研究领域。但人们不一定都十分了解花卉种植，很多时候无法从花卉和土壤的表面来判断是否需要给花卉浇水，因而自动浇花设备是一个不错的选择。
市场上已有的自动浇花设备大多不适合家用，其价格昂贵、性能低，虽然采用了定时浇水方案，但并没有考虑当下花卉的生长环境和状况，可能会产生浇水过多或者过少而导致花卉枯萎的情况。为了解决以上问题，本文将物联网技术与云平台相结合，设计一款根据土壤湿度进行浇水的植物浇水系统，能够根据土壤湿度的变化自动实时浇水，同时能够实时监控土壤的湿度及环境温湿度信息，并将土壤湿度及环境温湿度信息传输到机智云物联网平台，便于用户在手机App上实时监控。
1 机智云物联网平台
在技术高速发展的今天，物联网系统开发模式已经发生了大幅度的转变。在传统物联网系统开发模式中，需要搭建一台高性能服务器，在服务器上搭建物联网后台，把相关项目以及数据部署在服务器上，通过服务器向用户提供相关服务。但是该模式存在很多问题：首先是成本问题，主要包含购买服务器、服务器的运营等费用，导致系统价格上升，难以推广；其次是安全问题，服务器要预防网络攻击、停电等各种异常问题，一旦服务器出现问题，产品可能会死机。
本文选取机智云物联网平台，其是致力于物联网、智能硬件云服务的开放平台。平台提供了从产品定义、设备端开发调试、应用开发、产品测试、运营管理等覆盖智能硬件接入到运营管理全生命周期服务的能力。目前，机智云针对ESP8266提供基本的MCU开发方案以及SDK开发方案，能够满足用户的实际需求，使用简单灵活。
2 系统硬件设计
系统总体设计如图1所示。由图1可知，整个系统由数据获取层、数据处理及控制层和数据显示层组成。数据获取层由土壤湿度传感器、温湿度传感器构成，其中，土壤湿度传感器能够采集土壤湿度，温湿度传感器能够采集环境温湿度数据。数据处理及控制层包括STM32单片机、继电器、水泵，其中，STM32为系统核心部分，用于数据处理，并向继电器发送控制信号，启动或停止水泵出水。
数据显示层包括OLED液晶显示屏、Wi-Fi模块、机智云物联网平台和手机App, 其中，OLED液晶显示屏用于显示STM32获取的传感器数据信息，STM32通过Wi-Fi模块向机智云物联网平台传输数据，并将数据显示在手机App上，同时借助手机App向STM32单片机发送控制信号。
图1 系统总体设计框图
2.1 土壤湿度传感器硬件电路设计
选用YL-69土壤湿度传感器检测土壤湿度，将土壤湿度转换成模拟电压信号，单片机借助内部自带的模/数转换模块将模拟信号转换成数字信号，从而获取土壤湿度数据。该传感器利用土壤水分对电容值的影响来检测土壤湿度：数值越大，说明土壤越干燥；数值越小，土壤越湿润。在硬件电路连接时需要将土壤湿度传感器的AO引脚与单片机的ADC输入引脚(PA1)相连，土壤湿度传感器的GND引脚连接到单片机的GND引脚，土壤湿度传感器的VCC引脚连接到单片机的VCC引脚。
2.2 环境温湿度传感器硬件电路设计
选用DHT11温湿度传感器监测环境温湿度信息。该传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，单线型串行接口，使用时需要在数据口连接一个上拉电阻(连线长度短于20 m时用5 kΩ上拉电阻，大于20 m时根据实际情况选择合适的上拉电阻)。上电后，温湿度传感器接收到单片机发送的相关命令，并根据接收到的不同命令反馈相关数据。在硬件电路连接时，将温湿度传感器的数据输出引脚与单片机的通信引脚(PB9引脚)进行连接。
2.3 继电器硬件电路设计
继电器被用来控制水泵。水泵启动需要较大的电压及电流，如果使用单片机直接驱动，将影响单片机工作的稳定性，因此采用弱电控制强电原理，借助继电器进行控制。继电器相当于一个开关，其中VCC表示电源正极、GND表示电源负极、IN表示信号输入脚、COM表示公共端、NC(normal close)表示常闭端、NO(normal open)表示常开端，一般情况下是常闭状态。在硬件电路连接时，继电器连接单片机的PB13引脚。
2.4 数据显示与系统通信硬件设计2.4.1 ESP8266通信模块硬件电路设计
ESP8266是一个成本较低的无线设备，内置TCP/IP协议，可以与任何Wi-Fi网络连接，是目前比较常用的一种无线通信模块。本系统中的通信模块通过串口与单片机相连，将单片机与机智云服务器连接，进行数据传输。在硬件电路连接时，将Wi-Fi模块的LRXD引脚连接单片机串口TX(PB10),UTXD引脚连接单片机串口RX(PB11),从而实现两者之间的数据通信，如图2所示。
图2 ESP8266硬件电路连接图
2.4.2 OLED液晶显示屏硬件电路设计
有机发光二极管(OLED),又称有机电激光显示。OLED具备自发光、使用温度范围广、构造简单等特点，被认为是下一代的平面显示器新兴应用技术。虽然OLED的尺寸难以大型化，但是分辨率很高。
SSD1306是0.96英寸OLED液晶屏，满足本系统需求。STM32单片机将获取到的温湿度信息显示到OLED液晶显示屏，方便用户查看。在硬件电路连接上，STM32使用IIC通信协议连接OLED液晶显示屏，分别连接单片机对应的PB6(作为IIC的SCL引脚)和PB7引脚(作为IIC的SDA引脚)。
2.5 STM32单片机程序下载电路设计
选用的STM32F103C8T6单片机是一款基于Cortex-M3内核STM32系统的32位微控制器。该单片机支持的程序下载方式包括串口下载和下载器下载。串口下载需要先更改硬件boot引脚连接方式，然后修改单片机的启动地址，即可通过串口下载程序，而下载器下载需要借助单片机的下载引脚SWD和SCLK,再使用下载器下载程序。采用串口下载方式，借助FlyMcu软件，通过串口完成程序的下载。
3 系统软件设计3.1 主程序设计
STM32作为主控芯片，负责程序初始化、控制及数据显示。单片机首先获取传感器数据，将数据显示在液晶屏，使用通信模块连接机智云平台与手机进行通信，再根据获取的数据实施相应控制。当土壤湿度传感器检测到土壤湿度较低时，启动浇水系统，当土壤湿度达标后停止浇水系统，其中浇水系统的启动方式包括手动和自动2种。具体流程如图3所示。
图3主程序流程图
3.2 土壤湿度传感器程序设计
土壤湿度传感器的数据获取是通过单片机的ADC引脚获取传感器的电压值，然后将获取到的模拟电压进行模数转换得到土壤湿度信息。首先初始化ADC功能，然后打开相关ADC通道进行数据循环采样，流程如图4所示。
图4 土壤湿度传感器程序流程图
3.3 环境温湿度传感器程序设计
环境温湿度传感器通过单片机的IO口进行命令的发送及数据的获取。首先初始化与温湿度传感器连接的数据引脚，然后分别输出一段时间的高低电平命令，获取GPIO的电平信号并获取温湿度传感器传输的数据。程序设计流程如图5所示。
3.4 ESP8266通信模块程序设计
ESP8266通信模块通过串口与单片机进行通信，因此将该程序设计转换成单片机串口数据收发程序。首先对串口初始化，设置标志位，判断串口是否产生中断：如果产生中断，接收数据并将数据解析存储；如果没有中断，继续等待。程序设计流程如图6所示。
4 系统测试与应用
在进行系统硬件调试前，需要确保传感器和单片机电源、传感器与单片机的引脚连接正确。经过硬件焊接连接的实物图如图7所示。
图5 环境温湿度程序设计流程图
图6ESP8266通信模块的程序设计流程图
图7 基于STM32的植物浇水设计
4.1 云平台传输调试
将系统获取的数据上传至机智云物联网平台，并针对Wi-Fi模块、数据上传和命令过程下发进行调试。调试程序如图8所示。
图8 ESP8266调试程序
4.2 测试结果与分析
在自动模式下，将土壤湿度传感器放置在干燥缺水的土壤中，通过手机App可监测到环境温度值为26,环境湿度值为32,土壤湿度值为4036,此时自动启动水泵浇水，如图9所示。
图9 自动浇水调试图
5总结
以STM32F103C8T6作为主控芯片，以及使用温湿度传感器、土壤湿度传感器、继电器、水泵、Wi-Fi模块、OLED等器件，设计了一款能够实时采集土壤湿度信息，并在土壤干涸时及时浇水的智能浇水系统。该系统能够满足实时监测土壤环境的湿度，并且能定时将采集到的数据上传到机智云物联网平台，使用户能够实时了解环境状况，同时用户能够根据环境温湿度以及土壤湿度信息，决定是否远程打开水泵进行手动浇水操作。实践证明，该系统运行正常，能够直观地监测到花盆土壤信息，实现植物的科学浇水。
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