基于物联网的智慧浇灌系统

基于物联网的智慧浇灌系统

普甦，陈瑶，王露露

哈尔滨剑桥学院，电气工程及其自动化

摘要：

近年来，物联网逐渐融入人们的生活，智能浇灌系统就是其中之一。物联网的智慧浇灌系统拟以单片机为控制电路核心，通过Android系统将Arduino单片机读取到的各类参数可视化地呈现在软件界面,能够在用户不在的条件下更好地管理家庭绿植。结合温湿度传感器等传感器以及通信模块等，采用模块化的设计，完成该系统设计。采用闭环控制，利用温湿度采集模块将多处不同地点检测到的温度、湿度模拟量进行模数转化后传送给单片机，结合水位检测模块、光强检测模块等将所有信息交给单片机系统进行处理，最终将电机驱动模块启动，使电机开始运动，即进行浇灌。并将土壤湿度数据上传到液晶显示屏上，同时要将信号给到实时监控模块，在网络连接方面采用WiFi、Zigbee等模块实现与网页、手机等的配合。

关键词：Arduino；温湿度传感器

本设计利用各种传感器将相关检测信息送入控制器，控制器根据绿植物生长的需求，发出相应指令，驱动电磁继电器使滴灌系统工作，及时给植物补充水分。也可启动 LED 植物生长灯，改善绿色植物的光照强度，促进植物的生长。

1系统的设计思路

1.1系统整体设计

物联网智能浇灌系统准确来说是智能农业的一个分支，通过网络将人与物，物与物联系起来，更加智能地，方便地养护植物。目前国内外已有能够实现植物智能养护、培育的设备,比如McCready通过对土壤湿度和蒸腾量等的提取进行智能灌溉；Click和Grow设计了一款具备自动浇水和施肥功能的智能浇灌系统等。Arduino单片机搭建的智能平台是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，它不局限于某种系统，不局限于某种语言，利用Arduino构建的系统可利用各种各样的传感器来感知环境，并可通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。物联网智能浇灌系统采用温湿度传感器、光照传感器、PH值传感器等采集植物的生长环境参数，并通过Arduino单片机构建的智能平台进行数据处理，控制浇水、移动花盆等机械装置实现自动浇水、调整光线等功能，并可将植物生长的相关数据传输到用户的手机App端，可通过手机实现远程监控等功能。

1.2系统层次设计

物联网体系结构分为三层，即感知层、网络层和应用层。智能浇灌系统是基于Arduino的物联网产品，也存在这三层；它的感知层通过各个传感器完成信息的采集并传入主控芯片进行处理；网络层利用WIFI无线通信，将数据传输到云平台；在应用层的智能终端设备上显示所有的数据，并将这些数据与应用相结合，形成一个完整的体系。

1.3设计功能

1、当环境湿度超过阀值时，自动报警，提醒人们移动花盆以使其得到合适的环境。阀值可以通过在线编程设置、也可以设置温度阀值，当温度超过该阀值时，蜂鸣器发出警报。

2、12864液晶显示屏可以显示环境温湿度和光照强度。

2系统的具体实现

2.1硬件设计思想：

我们的硬件设计基于Arduino单片机。需要一个面包板、温湿传感器、光传感器、蜂鸣器和一个12864液晶显示屏。外接12864显示屏，用来显示温湿度和光照强度。用蜂鸣器来提醒人浇水或改变环境。用温湿传感器和光传感器测定周围环境的温湿度和光照强度。用一块面包板提供更多的电源正极和接地极。

首先将单片机上的Vcc引脚连接到面包板上的+极上、将但单片机上的GND引脚连接到面包板上负极上。然后将温湿传感器、光传感器和蜂鸣器的正负极连接到面包板上。然后再分别连接到单片机上的引脚上，利用这些引脚控制传感器。 由于在程序设计中蜂鸣器设置的阀值是湿度%20，也就是当湿度高于20%的时候蜂鸣器会发出声响。而在寝室的环境中湿度应该是大于20%的。所以在视频中蜂鸣器会一直作响。而arduino板子可以多次输入程序，所以改变阀值只需将相应的程序改变即可。

2.2软件功能：

这个软件用来指导单片机完成对周围环境温湿度和光照的测试、 以及对12864显示屏的控制。其实软件的终点就是把传感器所测定的数值反映到显示屏上以及蜂鸣器的报警，起点则利用传感器测定温湿度和光照。

反馈设计：在整个花盆的设计过程中。需要在两个方面进行反馈、一个是APP的显示，一个是花盆本身及其显示屏。花盆反馈中，用户通过APP选择自己要种植的植物、此时APP将从数据库中找出该植物所需的最佳光照、湿度等数据。采用IEEE 802. 11无线局域网与花盆设备的模块进行通信将数据反馈至花盆， 以之为阈值，将传感器模块实时监测的数据与相应阈值进行比较、从而控制水泵及补光设施的开断。

APP显示：智慧花盆的配套APP显示基于Android软件开发平台。Android是一套移动设备设计综合平台，且具有开放的体系架构，它丰富的图形系统与多媒体支持为APP的开发提供了很好的拓展性需求。

3系统的功能测试

3.1温湿度传感器

通过温湿度传感器的测量数据与实际植物所需要的温度和湿度与APP数据库中的该植物所需的最佳环境温度湿度和土壤温度湿度的数据进行比较，在不达标的情况下对水泵和花盆的位置进行控制，当环境湿度或土壤湿度不达标的情况下，可远程操作打开水泵自动对空气中喷洒小范围水雾补充环境湿度或对植物进行浇灌补水，来满足植物对于土壤湿度和环境湿度的需求。当环境温度或土壤温度不达标的情况下，也可通过对水泵的控制来减少水分的补充或者是对于土壤或环境水分的蒸发来满足植物对于环境温度和土壤温度的需求。

3.2光敏传感器

利用光敏传感器采集到的数据与APP数据库中的该植物所需要的光照进行对比，在测量的光照条件与数据库中的该植物所需光照不相符合的情况下，通过APP对花盆进行远程操控，通过平移和旋转花盆的操作。将花盆平移或旋转角度到有太阳光照的区域内，以便增加光照强度，用来满足植物所需的光照条件。

4总结与展望

通过以上内容，我们设计出一套智能化种植管理系统，避免生长素分配不均影响植物形态的状况，同时增加了上位机软件的远程控制，更大程度的方便用户使用。因为需要远程控制，就需要借助服务器，本文选择云平台作为服务器，采用MOTT协议将服务器与WIFI设备数据进行开发。经过科学的照顾，给植物一个较好的环境，对于主人而言不但不增加工作量，反而节省工作量，是智能浇灌系统存在的意义，但有一些技术还是较难实现。如果不租用服务器而是自己搭建服务器就比较困难，但要远程控制就必须需要服务器，希望以后应用云平台可以实现基于Arduino的物联网智能浇灌系统设计。

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基金项目：2022年哈尔滨剑桥学院大学生创新创业训练计划项目（基于物联网的智慧浇灌系统（项目编号：X202213303082）阶段性研究成果）