基于STM32與物聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)的智能生態(tài)陽(yáng)臺場(chǎng)景的設計與實(shí)現　

作者 楊巍1 劉倩2 邱博3

　　1.66389部隊(陜西 西安 710000) 2.中國聯(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;劉倩，女，碩士生，中級工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò )管理與IT中心數據網(wǎng)維護;邱博，男，助理工程師，研究方向：嵌入式系統。

摘要：基于STM32單片機和云平臺，結合物聯(lián)網(wǎng)IP技術(shù)，設計了一種智能生態(tài)陽(yáng)臺的場(chǎng)景。該場(chǎng)景可以通過(guò)手機APP端選擇陽(yáng)臺所栽培植物的種類(lèi)，并通過(guò)該場(chǎng)景中的環(huán)境監測與控制系統對陽(yáng)臺的空氣溫濕度、土壤濕度、環(huán)境光照度、PM2.5等環(huán)境參數進(jìn)行監測，當環(huán)境參數與所選植物的最適宜的生長(cháng)環(huán)境差距較大時(shí)，可以通過(guò)場(chǎng)景內的控制系統完成對各項環(huán)境參數的控制，使得植物能夠始終保持在其最適宜的生長(cháng)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(zhù)人們對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)現自己新的需求。

　　而隨著(zhù)城市的生活節奏逐漸加快，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)臺上種植一些自己喜歡的花草等植物，然而對于工作壓力較大、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(cháng)狀態(tài)，導致其得不到細心照料，難以正常生長(cháng)甚至枯萎死亡。特別是對于那些上班出差一族來(lái)說(shuō)，若是自己長(cháng)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(cháng)。而本設計中提出的智能生態(tài)陽(yáng)臺這一概念，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)現綠色生態(tài)的可能。

1 智能生態(tài)陽(yáng)臺的功能設計

　　1.1 智能生態(tài)陽(yáng)臺的設計框圖

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

　　在該場(chǎng)景的設計中，采用自行設計的一款土壤濕度傳感器，用來(lái)監測陽(yáng)臺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，從而達到自動(dòng)灌溉的目的;采用光照強度傳感器，監測環(huán)境光的信息，并配以照明和窗簾控制系統，從而能夠智能調節陽(yáng)臺光照強度在一個(gè)舒適的范圍內;采用空氣溫濕度傳感器，對陽(yáng)臺上的空氣溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測;采用PM2.5傳感器，用來(lái)對每天的空氣質(zhì)量進(jìn)行監測;并配以開(kāi)關(guān)窗的系統，對窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，從而給陽(yáng)臺一個(gè)最適宜的環(huán)境。同時(shí)在設計中采用WiFi通信模塊，實(shí)現了對陽(yáng)臺上的環(huán)境和所有的控制設備的遠程監測與操控。

　　1.2 系統的硬件設計

　　設計中使用ST公司的STM32F103ZET6為主控芯片，并設計其最小系統電路，配合WiFi模塊、土壤濕度傳感器、人體熱釋電紅外傳感器、光照強度傳感器、PM2.5等多種傳感器，結合水泵、步進(jìn)電機和LED補光燈等控制部件共同完成硬件部分的整體設計。該設計的整體電路如圖2所示。

　　電路原理圖中所涉及到的主要電路模塊詳細功能介紹如下。

　　(1)土壤濕度傳感器。經(jīng)過(guò)搜索發(fā)現對于植物土壤濕度的檢測，目前市面上大多數土壤濕度傳感器模塊不能準確的檢測出土壤濕度信息，因此，為了更精確的采集土壤濕度信息，該設計中自行設計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，該設計使用STM32F03ZET6的AD轉換功能模塊，采用ADC3的通道12，同時(shí)通過(guò)DMA2的通道5采集‘out’端電壓。對采集到的電信號進(jìn)行實(shí)測和分析，可以得到傳感器采集電壓信號數據和土壤濕度值對應關(guān)系圖表，如下圖4所示。對比圖表，即可得出當前的土壤濕度值。

　　(2)ESP8266 WiFi模塊。該模塊的特點(diǎn)是成本低、使用簡(jiǎn)便、功能強大。本設計中采用STM32的串口通信，并使用ESP8266 串口轉WiFi模塊實(shí)現遠程網(wǎng)絡(luò )通信，將通過(guò)網(wǎng)絡(luò )采集到的數據，經(jīng)過(guò)串行口發(fā)送給STM32單片機，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)臺系統接入到機智云的云端服務(wù)器，為系統提供了遠程控制的解決方案。

　　(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，檢測空氣質(zhì)量來(lái)提示用戶(hù)，當空氣PM2.5高時(shí)還可以通過(guò)STM32控制器控制減速步進(jìn)電機來(lái)關(guān)閉窗簾，為用戶(hù)提供更加安全的居住環(huán)境。

　　(4)光照強度傳感器BH1750FVI。BH1750FVI 是一種使用I2C總接口的數字型光強度傳感器集成電路。利用它的高分辨率可以探測較大范圍的光強度變化(0-65535 lx)。在設計中用于檢測環(huán)境光照亮度，并依據光照亮度調節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人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線(xiàn)而輸出電信號的傳感器?？紤]到晚上可能會(huì )有人進(jìn)入陽(yáng)臺，該系統中使用熱釋電人體紅外傳感器來(lái)感應有無(wú)人出現。根據當前光照強度和人體感應模塊的數據進(jìn)行處理從而自動(dòng)控制照明燈的亮滅。

　　(6)系統的時(shí)間。本設計中提供了兩種時(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、秒七位計時(shí)功能，可以保證設備斷電后時(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據上傳至云端服務(wù)器，同時(shí)與手機APP端進(jìn)行通信，為用戶(hù)提供遠程可管理的綠色環(huán)保多功能化的陽(yáng)臺場(chǎng)所，為用戶(hù)節約時(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)臺的硬件實(shí)物圖如圖5所示。

　　1.3 智能生態(tài)陽(yáng)臺的應用軟件設計

　　該系統以Android操作系統為平臺開(kāi)發(fā)了與系統硬件設備對應的，名為“智能生態(tài)陽(yáng)臺”的手機APP，以實(shí)現遠程監控陽(yáng)臺信息的功能。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(lèi)”、“當前月份信息”，用戶(hù)可以通過(guò)APP設置窗簾的開(kāi)合度、植物的喜好濕度以及光照強度，同時(shí)也可以通過(guò)APP實(shí)時(shí)了解到當前陽(yáng)臺中空氣質(zhì)量、溫度、濕度以及土壤濕度等信息。這樣一來(lái)，即使用戶(hù)不在家也能了解自家陽(yáng)臺情況，使用戶(hù)生活更高效。APP操作界面如下圖6(a)和圖6(b)所示。

2 設計中的創(chuàng )新點(diǎn)

　　本設計在普通陽(yáng)臺的基礎上加入了許多新穎的創(chuàng )新和設計理念：

　　(1)植物適宜的土壤濕度和光照強度會(huì )根據植物的種類(lèi)和當前的月份結合該植物的生長(cháng)習性通過(guò)我們設計的養護系統自動(dòng)調節，用戶(hù)只需要種植時(shí)選擇對應的植物種類(lèi)即可，而對于A(yíng)PP上沒(méi)有的植物類(lèi)型用戶(hù)還可以將植物類(lèi)型設置為“自定義”，并自定義設置相應數據。

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

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

3 結論

　　在現今物聯(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)境是當代居家客們的普遍追求，因此，本設計從這一點(diǎn)出發(fā)，在自家的陽(yáng)臺上打造一個(gè)低成本、以實(shí)現的“智能生態(tài)陽(yáng)臺”場(chǎng)景，把陽(yáng)臺變得智能化，激起人們對生活的熱愛(ài)。將真正的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)落地，應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。