摘要:以STM32F407ZGT6單片機(jī)為核心控制器設(shè)計了一種微型生態(tài)花園控制系統(tǒng)，將傳感器技術(shù)、WiFi技術(shù)、攝像頭技術(shù)、自動追光技術(shù)、μC/OS-Ⅲ實(shí)時操作系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對花園環(huán)境以及動植物情況的實(shí)時監(jiān)控和及時控制，并具有環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度監(jiān)控，魚缸自動換水、增氧以及寵物自動喂養(yǎng)等功能。

0 引言

隨著城市生活節(jié)奏越來越快，都市白領(lǐng)人群也越來越多地希望綠色微生態(tài)能夠進(jìn)入自己的家庭陽臺空間，開始更多地從生態(tài)角度改善自己的生活環(huán)境。

當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，使得生態(tài)空間的控制技術(shù)朝人工智能化方向迅速發(fā)展[1]。新技術(shù)的應(yīng)用使得微生態(tài)陽臺花園的管理通過智能自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時控制，代替了原有落后的開關(guān)按鈕控制的管理方式[2]，在當(dāng)前已經(jīng)成為智能家居市場的主流需求[3]。

這樣都市忙碌的白領(lǐng)人群就可以不必耗費(fèi)過多的時間與精力去管理家庭花園生態(tài)系統(tǒng)，也不用花大量精力去學(xué)習(xí)養(yǎng)魚、綠植養(yǎng)護(hù)的知識技能，更不用去請專人管理維護(hù)，直接使用智能綠植養(yǎng)護(hù)陽臺系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)一體化。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計

微型生態(tài)花園控制系統(tǒng)基于現(xiàn)實(shí)背景[4]設(shè)計，以STM32F407ZGT6單片機(jī)為核心控制器，通過μC/OS-Ⅲ實(shí)時操作系統(tǒng)和TFT-LCD主控顯示屏設(shè)計出便捷友好的用戶界面，實(shí)時顯示環(huán)境參數(shù)信息。系統(tǒng)采用成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信連接，用戶可以通過機(jī)智云和手機(jī)App連接，實(shí)現(xiàn)云端傳輸數(shù)據(jù)功能。

硬件是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，因?yàn)槠洳粌H直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性及能耗等，還在一定程度上決定了系統(tǒng)的上限。總之，系統(tǒng)硬件的設(shè)計是非常關(guān)鍵的部分。微生態(tài)花園控制系統(tǒng)的硬件主要以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心板，搭載TFT-LCD觸摸顯示屏、OV5640-720P高清攝像頭、WiFi模組等。其中DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器組成檢測功能模塊，用來檢測微生態(tài)花園的溫濕度和土壤濕度等環(huán)境參數(shù)。

2 自動灌溉系統(tǒng)

自動化灌溉系統(tǒng)首先為自動化灌溉區(qū)域規(guī)劃做準(zhǔn)備。由于自動灌溉系統(tǒng)的工作原理，一組路徑在同一時間只能以一個頻率自動灌溉，因此采取以下措施區(qū)分灌區(qū)的草種習(xí)性。例如，多年生鐵線蓮、月季之類，不耐澇、不耐高溫的可以劃分成一組，灌水的持續(xù)時間可以設(shè)置得短一些，頻率可以低一些；而藍(lán)雪花、繡球花等水生植物再分一組，灌水的持續(xù)時間設(shè)置得更長更頻繁；對于耐旱、耐高溫的沙漠玫瑰、仙人掌等植物來說，它們對水分的需求并不是很大，分為另一組，灌水的持續(xù)時間可以設(shè)置得更短一些。

系統(tǒng)工作中，當(dāng)土壤含水量低于一定閾值時(該閾值可通過可變電阻進(jìn)行調(diào)節(jié))指示燈就會亮起，從而檢測到該區(qū)域內(nèi)土壤濕度低于當(dāng)前植物所適宜的濕度，單片機(jī)即可控制繼電器操作小水泵進(jìn)行灌溉。

3 太陽能自動追光系統(tǒng)

太陽能是一種清潔的綠色能源，也是最豐富的可再生能源，是未來理想的綠色新能源，因此采用光伏發(fā)電技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的續(xù)航并節(jié)約能源。太陽能自動追光系統(tǒng)主要由2個步進(jìn)電機(jī)以及驅(qū)動器、4個光敏電阻、1個主控芯片、1塊太陽能板構(gòu)成，具體系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計框架

圖2 系統(tǒng)框架

太陽能板的方向控制能夠?qū)崿F(xiàn)360°追光，它的4個方向分別放置4個光敏電阻，然后通過判斷對向的兩個電阻的大小控制步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該往哪個方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動。為了實(shí)現(xiàn)通過讀取光敏電阻的阻值控制太陽能板方向，這里采用串聯(lián)分壓的方式，如圖3所示。

圖3 串聯(lián)分壓電路

ADC接單片機(jī)引腳，原理就是串聯(lián)分壓，當(dāng)外界光發(fā)生變化的時候，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，ADC讀取的就是光敏電阻分壓的數(shù)值。因?yàn)閮蓚€光敏電阻的阻值是一樣的，那么R1和R2在光照一樣的環(huán)境下，ADC引腳所讀取到的電壓值應(yīng)該是3.3/2=1.65 V，也就是說，當(dāng)ADC所讀取到的電壓值在1.55～1.75 V (誤差±0.1 V)時，兩個光敏電阻所接收的光強(qiáng)是一樣的。

因?yàn)橛玫氖?516光敏電阻，光照越強(qiáng)，阻值越小，電壓也就越小，所以，當(dāng)ADC讀取到的電壓值，也就是R1的電壓值大于1.75 V時，說明R2的光照強(qiáng)度大于R1，步進(jìn)電機(jī)就會往R2方向移動，當(dāng)最終讀取到的電壓值平穩(wěn)在1.55～1.75 V時，步進(jìn)電機(jī)才會停止移動；相反，當(dāng)ADC值小于1.55 V時，步進(jìn)電機(jī)就會往R1方向移動，當(dāng)電壓值平穩(wěn)在1.55～1.75 V時，步進(jìn)電機(jī)才會停止移動。可以以同樣的辦法在另外兩個方向上設(shè)計同樣的一個串聯(lián)分壓電路，從而達(dá)到同樣的效果。

最后，太陽能板就可停留在光照強(qiáng)度最強(qiáng)的地方，然后通過光伏發(fā)電對蓄電池進(jìn)行充電。

4 魚缸

魚缸主要由自動定時換水系統(tǒng)、自動定時供氧系統(tǒng)、自動定時喂食系統(tǒng)三部分構(gòu)成，該設(shè)計可以幫助出差在外的用戶照顧魚缸里的魚類，減少用戶的擔(dān)憂。

4.1 自動定時換水系統(tǒng)

在換水過程中依靠水位傳感器來判斷魚缸中的水是否抽完以及抽進(jìn)魚缸里的水是否到達(dá)設(shè)定水位，防止水漫出來。該換水系統(tǒng)利用Water Sensor水位傳感器監(jiān)測水位，該模塊主要是利用三極管的電流放大原理：當(dāng)液位高度使三極管的基極與電源正極導(dǎo)通時，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會產(chǎn)生一定大小的電流，此時在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會產(chǎn)生一個一定放大倍數(shù)的電流，該電流經(jīng)過發(fā)射極的電阻產(chǎn)生特定電壓，被AD轉(zhuǎn)換器采集。

只要設(shè)定好魚缸最大水位時ADC的值以及魚缸在被抽完水后ADC的值，然后通過繼電器控制小水泵，設(shè)定好時間，就可以進(jìn)行魚缸的自動換水操作。換下來的廢水可以用于灌溉，能夠節(jié)約水資源，實(shí)現(xiàn)廢水的循環(huán)利用。

4.2 自動定時供氧系統(tǒng)

采用供氧泵在空氣中抽取氧氣，然后將導(dǎo)管放入魚缸中，設(shè)定好時間，就可以進(jìn)行定期供氧。

4.3 自動定時喂食系統(tǒng)

自動定時喂食系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、裝料器皿構(gòu)成，使用起來非常方便，將魚料放進(jìn)裝料器皿中，然后通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，魚料就可以經(jīng)出料口送出。系統(tǒng)可以根據(jù)魚類數(shù)量的多少進(jìn)行供料，為控制出料量，防止出料過多，出料口采用小孔設(shè)計。發(fā)送脈沖給步進(jìn)電機(jī)，可使其慢速旋轉(zhuǎn)360°，當(dāng)出料口位于下方時(此時旋轉(zhuǎn)180°)，物料將受到重力作用，通過出料口落入魚缸中。那么只要設(shè)定好時間來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，就能達(dá)到自動喂食的效果。

5 寵物屋

寵物屋能夠給予寵物舒適的環(huán)境，減少病菌的侵害，保證寵物的身體健康，保護(hù)家庭的環(huán)境，更重要的是可以減輕用戶的負(fù)擔(dān)，也為微生態(tài)花園增添了一份生機(jī)。該設(shè)計主要包括監(jiān)視寵物屋環(huán)境溫濕度的傳感器、空氣凈化器，還有紫外線殺菌消毒，OV5640攝像頭能夠?qū)崟r監(jiān)控寵物情況，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程喂食、喂水等功能。

通過主控芯片STM32F407ZGT6控制DHT11溫濕度傳感器，將采集到的信號運(yùn)算后實(shí)時顯示在TFT-LCD顯示屏上；同時，通過esp8266 Wi-Fi芯片將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)App上，用戶可以通過手機(jī)發(fā)送指令來進(jìn)行相應(yīng)的操作。

(1) 空氣凈化器能夠有效去除空氣中的異味，還能分解空氣中的細(xì)菌，其中的負(fù)離子能夠有效捕捉空氣中的有害物質(zhì)，凈化空氣。HEPA是一種高效的過濾材料，可以有效過濾空氣中的懸浮顆粒物。這是一個模塊，只要接入電源就可以正常使用。

(2) 為防止細(xì)菌的滋生，寵物屋內(nèi)壁上放了4個UV紫外線發(fā)光二極管，其具備殺菌和消毒的作用，利用UV紫外燈進(jìn)行定時殺菌操作，可以抑制細(xì)菌的繁殖。

(3) 監(jiān)控系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)和OV5640攝像頭組成，步進(jìn)電機(jī)可以使攝像頭進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)時觀察寵物的動態(tài)和寵物屋的工作狀態(tài)；攝像頭將采集到的信息通過ESP8266芯片上傳到機(jī)智云平臺，然后在手機(jī)的人機(jī)控制界面上顯示出來；用戶可以通過手機(jī)來查看寵物當(dāng)前的情況。

(4) 喂食系統(tǒng)主要由STM32F407ZGT6主控芯片、步進(jìn)電機(jī)、ESP8266 Wi-Fi模塊、OV5640攝像頭組成。用戶通過App攝像頭功能查看到寵物碗中沒有了食物，就可以通過手機(jī)App發(fā)送指令到機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，然后通過Wi-Fi模塊接收到信號，進(jìn)而通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)打開閥門，食物和水就會自動加到寵物的碗里。

6 μC/OS-Ⅲ實(shí)時操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)能將需要操作的硬件實(shí)時顯示在TFT-LCD上，為使人機(jī)界面更加直觀、方便，加入圖形界面效果。由于保存的是bmp圖像，需要先連接bmp圖像的數(shù)據(jù)格式。在STM32上采集的數(shù)據(jù)格式是RGB565，方便在TFT-LCD上顯示。bmp保存在SD卡上，通過FATFS文件系統(tǒng)進(jìn)行操作，圖片保存步驟如下：

(1) 配置bmp的圖片頭信息；

(2) 設(shè)置數(shù)據(jù)格式掩碼；

(3) 寫入圖像數(shù)據(jù)，并使用FATFS文件系統(tǒng)來管理SD卡。

7 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺

首先，傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給STM32F-407ZGT6串口與EPS8266 Wi-Fi模組連接，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至機(jī)智云云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，便于分析。并在終端顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到遠(yuǎn)程觀測、遠(yuǎn)程控制的目的。

隨后進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，在機(jī)智云目錄處找到“MCU開發(fā)”，點(diǎn)擊“進(jìn)入”，選擇“獨(dú)立MCU模式”，然后選擇正在用的單片機(jī)或開發(fā)板的芯片型號所對應(yīng)的硬件平臺。

接著，在機(jī)智云官網(wǎng)上成功創(chuàng)建設(shè)備產(chǎn)品，機(jī)智云為該產(chǎn)品分配Product Key和Product Secret參數(shù)。Product Key參數(shù)是由開發(fā)者寫入設(shè)備MCU (設(shè)備主控板)，并告知Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊登錄機(jī)智云后，機(jī)智云將會識別該P(yáng)roduct Key的產(chǎn)品。Product Secret參數(shù)是App開發(fā)或服務(wù)器對接時所使用的參數(shù)。

再次，上位機(jī)App與單片機(jī)的連接。全部設(shè)計好后，到機(jī)智云的下載中心下載剛剛創(chuàng)建的App，之后就可以通過手機(jī)與單片機(jī)通信的ESP8266 Wi-Fi連接到同一個網(wǎng)絡(luò)下，然后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。

最后，用戶可以在App上發(fā)送相應(yīng)指令，通過機(jī)智云平臺接收數(shù)據(jù)，與單片機(jī)相連的ESP8266 Wi-Fi接收到指令后通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的目的。

8 結(jié)語

本文所述控制系統(tǒng)通過智能控制及物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對陽臺微生態(tài)花園的智能化控制。在設(shè)計過程中，除了常規(guī)的溫濕度調(diào)節(jié)、追光系統(tǒng)、寵物屋和魚缸控制等智能操作外，還能通過改變終端傳感器應(yīng)用節(jié)點(diǎn)，分層分級管理獲取空間參數(shù)，實(shí)現(xiàn)更多的智能控制功能。

因此，本設(shè)計應(yīng)用范圍可拓展性強(qiáng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)陽臺微生態(tài)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程操作，還可以采用新方法、新設(shè)計，廣泛運(yùn)用于其他更多的生態(tài)環(huán)境如農(nóng)業(yè)大棚、生態(tài)養(yǎng)殖等場景的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。