基于STM32與物聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)的智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)　

作者 楊巍1 劉倩2 邱博3

　　1.66389部隊(duì)(陜西 西安 710000) 2.中國(guó)聯(lián)通河南省分公司(河南 鄭州 450000) 3.河南省簡(jiǎn)能物聯(lián)網(wǎng)科技 (河南 鄭州 450000)

　　楊巍(1987-)，女，碩士，助理工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng);劉倩，女，碩士生，中級(jí)工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)管理與IT中心數(shù)據(jù)網(wǎng)維護(hù);邱博，男，助理工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)。

摘要：基于STM32單片機(jī)和云平臺(tái)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的場(chǎng)景。該場(chǎng)景可以通過(guò)手機(jī)APP端選擇陽(yáng)臺(tái)所栽培植物的種類，并通過(guò)該場(chǎng)景中的環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)對(duì)陽(yáng)臺(tái)的空氣溫濕度、土壤濕度、環(huán)境光照度、PM2.5等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)環(huán)境參數(shù)與所選植物的最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境差距較大時(shí)，可以通過(guò)場(chǎng)景內(nèi)的控制系統(tǒng)完成對(duì)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的控制，使得植物能夠始終保持在其最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境中。

0 引言

　　如今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)的智能化產(chǎn)品，已經(jīng)慢慢的滲透進(jìn)人們的生活的方方面面。而隨著人們對(duì)智能家居的需求越來(lái)越高，人們會(huì)在生活中不斷的發(fā)現(xiàn)自己新的需求。

　　而隨著城市的生活節(jié)奏逐漸加快，越來(lái)越多的城市居民希望綠色生態(tài)能夠進(jìn)入自己的家中，人們開(kāi)始更多的從生態(tài)角度考慮自己的生活方式，開(kāi)始在陽(yáng)臺(tái)上種植一些自己喜歡的花草等植物，然而對(duì)于工作壓力較大、經(jīng)常加班的上班一族，很容易忽略自己種植的作物的生長(zhǎng)狀態(tài)，導(dǎo)致其得不到細(xì)心照料，難以正常生長(zhǎng)甚至枯萎死亡。特別是對(duì)于那些上班出差一族來(lái)說(shuō)，若是自己長(zhǎng)時(shí)間在外出差，家中的花草更是得不到照料，難以正常生長(zhǎng)。而本設(shè)計(jì)中提出的智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)這一概念，能夠很好的解決以上問(wèn)題，為城市加班和出差族們提供了在家庭中實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)的可能。

1 智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的功能設(shè)計(jì)

　　1.1 智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的設(shè)計(jì)框圖

　　該系統(tǒng)主要分為硬件和軟件兩大部分的設(shè)計(jì)。硬件部分的設(shè)計(jì)包括，STM32外圍電路以及相關(guān)的傳感器、控制設(shè)備、WiFi模塊與STM32連接電路的設(shè)計(jì);軟件部分的設(shè)計(jì)包括，STM32的軟件開(kāi)發(fā)以及Android手機(jī)App的代碼編寫(xiě)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

　　在該場(chǎng)景的設(shè)計(jì)中，采用自行設(shè)計(jì)的一款土壤濕度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)陽(yáng)臺(tái)所栽培的家居盆栽植物的土壤濕度狀態(tài)，并配以灌溉系統(tǒng)，從而達(dá)到自動(dòng)灌溉的目的;采用光照強(qiáng)度傳感器，監(jiān)測(cè)環(huán)境光的信息，并配以照明和窗簾控制系統(tǒng)，從而能夠智能調(diào)節(jié)陽(yáng)臺(tái)光照強(qiáng)度在一個(gè)舒適的范圍內(nèi);采用空氣溫濕度傳感器，對(duì)陽(yáng)臺(tái)上的空氣溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);采用PM2.5傳感器，用來(lái)對(duì)每天的空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè);并配以開(kāi)關(guān)窗的系統(tǒng)，對(duì)窗戶的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，從而給陽(yáng)臺(tái)一個(gè)最適宜的環(huán)境。同時(shí)在設(shè)計(jì)中采用WiFi通信模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)臺(tái)上的環(huán)境和所有的控制設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與操控。

　　1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)中使用ST公司的STM32F103ZET6為主控芯片，并設(shè)計(jì)其最小系統(tǒng)電路，配合WiFi模塊、土壤濕度傳感器、人體熱釋電紅外傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、PM2.5等多種傳感器，結(jié)合水泵、步進(jìn)電機(jī)和LED補(bǔ)光燈等控制部件共同完成硬件部分的整體設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)的整體電路如圖2所示。

　　電路原理圖中所涉及到的主要電路模塊詳細(xì)功能介紹如下。

　　(1)土壤濕度傳感器。經(jīng)過(guò)搜索發(fā)現(xiàn)對(duì)于植物土壤濕度的檢測(cè)，目前市面上大多數(shù)土壤濕度傳感器模塊不能準(zhǔn)確的檢測(cè)出土壤濕度信息，因此，為了更精確的采集土壤濕度信息，該設(shè)計(jì)中自行設(shè)計(jì)了一款土壤濕度傳感器。其電路原理圖如圖3所示。

　　在原理圖中可以看出，該設(shè)計(jì)使用STM32F03ZET6的AD轉(zhuǎn)換功能模塊，采用ADC3的通道12，同時(shí)通過(guò)DMA2的通道5采集‘out’端電壓。對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)測(cè)和分析，可以得到傳感器采集電壓信號(hào)數(shù)據(jù)和土壤濕度值對(duì)應(yīng)關(guān)系圖表，如下圖4所示。對(duì)比圖表，即可得出當(dāng)前的土壤濕度值。

　　(2)ESP8266 WiFi模塊。該模塊的特點(diǎn)是成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強(qiáng)大。本設(shè)計(jì)中采用STM32的串口通信，并使用ESP8266 串口轉(zhuǎn)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)串行口發(fā)送給STM32單片機(jī)，進(jìn)行進(jìn)一步的處理。同時(shí)通過(guò)WiFi模塊將智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)系統(tǒng)接入到機(jī)智云的云端服務(wù)器，為系統(tǒng)提供了遠(yuǎn)程控制的解決方案。

　　(3)空氣質(zhì)量傳感器(PM2.5傳感器)?？諝赓|(zhì)量模塊我們選擇了光學(xué)灰塵傳感器(GP2Y1014AUOF)灰塵傳感器，檢測(cè)空氣質(zhì)量來(lái)提示用戶，當(dāng)空氣PM2.5高時(shí)還可以通過(guò)STM32控制器控制減速步進(jìn)電機(jī)來(lái)關(guān)閉窗簾，為用戶提供更加安全的居住環(huán)境。

　　(4)光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI 是一種使用I2C總接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化(0-65535 lx)。在設(shè)計(jì)中用于檢測(cè)環(huán)境光照亮度，并依據(jù)光照亮度調(diào)節(jié)窗簾及作為照明燈自動(dòng)控制的條件。

　　(5)熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。考慮到晚上可能會(huì)有人進(jìn)入陽(yáng)臺(tái)，該系統(tǒng)中使用熱釋電人體紅外傳感器來(lái)感應(yīng)有無(wú)人出現(xiàn)。根據(jù)當(dāng)前光照強(qiáng)度和人體感應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而自動(dòng)控制照明燈的亮滅。

　　(6)系統(tǒng)的時(shí)間。本設(shè)計(jì)中提供了兩種時(shí)間模式：“本地時(shí)間模式”和“網(wǎng)絡(luò)時(shí)間模式”?！氨镜貢r(shí)間模式”使用了實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302，DS1302是SPI接口的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，具有年、月、日、星期、時(shí)、分、秒七位計(jì)時(shí)功能，可以保證設(shè)備斷電后時(shí)間信息的精確性;

　　“網(wǎng)絡(luò)模式”則通過(guò)從云服務(wù)器上的NTP協(xié)議獲取UTC時(shí)間，該模式能夠省去手動(dòng)設(shè)置日期時(shí)間的繁瑣，也能保證時(shí)鐘的同步性和精確性。

　　通過(guò)以上模塊的協(xié)作，我們將各模塊收集的數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)與手機(jī)APP端進(jìn)行通信，為用戶提供遠(yuǎn)程可管理的綠色環(huán)保多功能化的陽(yáng)臺(tái)場(chǎng)所，為用戶節(jié)約時(shí)間，讓生活更高效與便捷，提高人們的生活質(zhì)量。智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的硬件實(shí)物圖如圖5所示。

　　1.3 智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)以Android操作系統(tǒng)為平臺(tái)開(kāi)發(fā)了與系統(tǒng)硬件設(shè)備對(duì)應(yīng)的，名為“智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)”的手機(jī)APP，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控陽(yáng)臺(tái)信息的功能。APP界面上有“水泵模式”、“照明燈模式”以及“窗簾模式”的“自動(dòng)”與“手動(dòng)”的選擇，還有“植物種類”、“當(dāng)前月份信息”，用戶可以通過(guò)APP設(shè)置窗簾的開(kāi)合度、植物的喜好濕度以及光照強(qiáng)度，同時(shí)也可以通過(guò)APP實(shí)時(shí)了解到當(dāng)前陽(yáng)臺(tái)中空氣質(zhì)量、溫度、濕度以及土壤濕度等信息。這樣一來(lái)，即使用戶不在家也能了解自家陽(yáng)臺(tái)情況，使用戶生活更高效。APP操作界面如下圖6(a)和圖6(b)所示。

2 設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新點(diǎn)

　　本設(shè)計(jì)在普通陽(yáng)臺(tái)的基礎(chǔ)上加入了許多新穎的創(chuàng)新和設(shè)計(jì)理念：

　　(1)植物適宜的土壤濕度和光照強(qiáng)度會(huì)根據(jù)植物的種類和當(dāng)前的月份結(jié)合該植物的生長(zhǎng)習(xí)性通過(guò)我們?cè)O(shè)計(jì)的養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，用戶只需要種植時(shí)選擇對(duì)應(yīng)的植物種類即可，而對(duì)于APP上沒(méi)有的植物類型用戶還可以將植物類型設(shè)置為“自定義”，并自定義設(shè)置相應(yīng)數(shù)據(jù)。

　　(2)照明燈光可以根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境光照強(qiáng)度和有沒(méi)有人在陽(yáng)臺(tái)，自動(dòng)控制照明燈的開(kāi)啟與關(guān)閉。

　　(3)窗簾可以根據(jù)當(dāng)前的空氣質(zhì)量和光照強(qiáng)度自動(dòng)打開(kāi)與關(guān)閉，從而為用戶和植物提供更舒適地環(huán)境。

3 結(jié)論

　　在現(xiàn)今物聯(lián)網(wǎng)浪潮鋪面而來(lái)的時(shí)代，擁有一座自己的自動(dòng)化、智能化的家居環(huán)境是當(dāng)代居家客們的普遍追求，因此，本設(shè)計(jì)從這一點(diǎn)出發(fā)，在自家的陽(yáng)臺(tái)上打造一個(gè)低成本、以實(shí)現(xiàn)的“智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)”場(chǎng)景，把陽(yáng)臺(tái)變得智能化，激起人們對(duì)生活的熱愛(ài)。將真正的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地，應(yīng)用在生活中最常用的場(chǎng)景。本文中提出的智能生態(tài)陽(yáng)臺(tái)的場(chǎng)景，希望能為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的的智能家居浪潮，進(jìn)行部分場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)的探索并提供一定的參考價(jià)值。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第9期第57頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。