詳解智能花盆設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了如何實(shí)現(xiàn)案例

外出旅行，家里的花盆沒(méi)人管，怎么辦？忙于工作，經(jīng)常忘記給花盆里澆水，導(dǎo)致植物經(jīng)常死掉。..類(lèi)似這樣的情況，在生活中經(jīng)常發(fā)生。有沒(méi)有什么辦法呢？當(dāng)花盆植物缺水的時(shí)候，能夠自己澆水，那就再好不過(guò)了。今天我們就來(lái)做一個(gè)人工智能花盆吧！

結(jié)合家庭盆栽因不可控因素疏于打理的現(xiàn)實(shí)及期望植株健康成長(zhǎng)的需求，提出一款由感知模塊，交互模塊，執(zhí)行模塊，電源模塊以及微處理器模塊構(gòu)成的智能花盆。該花盆通過(guò)傳感器采集植物狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用ESP8266發(fā)送至云平臺(tái)，使得在線檢測(cè)和云端控制成為可能；并通過(guò)繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥與補(bǔ)光燈，實(shí)現(xiàn)智能灌溉與自動(dòng)補(bǔ)光。

主要使用的硬件有STM32F103C8、電阻式土壤濕度傳感器、溫度傳感器DS18B20、光照強(qiáng)度傳感器 GY-3-（BH1750）、補(bǔ)光燈、WiFi模塊ESP8266、OLED、串口調(diào)試模塊 CH340

一、版本更新內(nèi)容

1）增加傳感器：光照強(qiáng)度傳感器GY-30（BH1750）

2）增加交互模塊：0.96寸OLED（SSD1306）

3）執(zhí)行部分：水泵更換為電磁閥、增加LED補(bǔ)光燈（紅&藍(lán)）

4）搭建花盆外殼支架

5）增加自動(dòng)模式

二、總體設(shè)計(jì)

2.1整體模型

2.2硬件結(jié)構(gòu)

1）STM32F103最小系統(tǒng)。包括微處理器、帶電容穩(wěn)壓的電源接口、復(fù)位電路、無(wú)源晶振與起振電路一起組成的時(shí)鐘源以及調(diào)試接口等構(gòu)成最小系統(tǒng)。

2）環(huán)境輸入檢測(cè)。主要包括DS18B20溫度檢測(cè)部分、內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字式光照強(qiáng)度檢測(cè)部分和使用AD數(shù)據(jù)采集的土壤濕度檢和水位檢測(cè)部分。

3）執(zhí)行部分主要包括電磁閥與基于植物光譜吸收峰值的藍(lán)紅LED補(bǔ)光燈等繼電器驅(qū)動(dòng)部分。

4）數(shù)據(jù)交互。主要包括MCU 與 ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)通信部分、方便用戶查看數(shù)據(jù)的OLED部分以及調(diào)試過(guò)程中用到的USB轉(zhuǎn)TTL模塊。

2.3軟件結(jié)構(gòu)

為方便實(shí)現(xiàn)MCU與硬件的通訊引入驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)底層硬件支持的通訊協(xié)議，并為上層提供方便使用的函數(shù)調(diào)用接口。主要包括基于“1-Wire”協(xié)議的DS18B20驅(qū)動(dòng)程序、基于HAL庫(kù)的USART 驅(qū)動(dòng)程序、與SSD1306通訊的OLED驅(qū)動(dòng)程序以及數(shù)字式光照強(qiáng)度的BH1750驅(qū)動(dòng)程序等。其中 I/O 驅(qū)動(dòng)主要實(shí)現(xiàn)了STM32F103C8T6微處理器GPIO引腳的定義和初始化；UART除”printf”函數(shù)重定義到串口外還須與ESP8266的通訊；剩余的該部分則是溫度、土壤濕度、水位傳感器的驅(qū)動(dòng)程序。

執(zhí)行層通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)層和機(jī)智云協(xié)議層提供的函數(shù)調(diào)用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)智能花盆軟件的邏輯控制。它包括初始化部分、數(shù)據(jù)掃描、上行下行通訊、自動(dòng)化控制等部分。

網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)封裝上傳、數(shù)據(jù)包解析等工作。

三、硬件設(shè)計(jì)

3.1硬件資源布局

3.2主控芯片

3.2.1主控選型

結(jié)合當(dāng)前接觸過(guò)的芯片以及對(duì)市場(chǎng)的淺薄了解，列舉了意法半導(dǎo)體（ST）的STM系列、意大利Massimo Banzi的Arduino、AT89C51以及微型電腦Raspberry Pi作比較。最終選用STM32F103C8系列。

3.2.2 引腳配置

3.3數(shù)據(jù)采集部分

3.3.1土壤濕度傳感器

其原理圖如下：

該模塊主要利用三極管的電流放大原理。土壤中存在水分時(shí)形成導(dǎo)體使得三極管的基極B與電源的VCC導(dǎo)通，這時(shí)在三極管的基極B和發(fā)射極E之間將產(chǎn)生電流，集電極C和發(fā)射極E之間則產(chǎn)生以一定倍數(shù)放大的電流，經(jīng)發(fā)射極E電阻產(chǎn)生較大壓降，送入A/D轉(zhuǎn)換電路。

3.3.2溫度傳感器

選用DALLAS公司推出的一種使用l-Wire通訊的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。

DS18B20引腳示意及實(shí)物圖

其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）DS18B20 溫度傳感器的工作電壓為+3.0V ~ +5.5V，無(wú)需電壓轉(zhuǎn)換，可直接用于市面上大多數(shù)開(kāi)發(fā)板；

2）接口簡(jiǎn)單，1-Wire 總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，只需一根線即可進(jìn)行通訊，有效減少硬件開(kāi)銷(xiāo)；

3）溫度測(cè)量范圍廣，最低可測(cè)得-55℃，最高可測(cè)得125℃，最高精度可達(dá) 0.0625℃；

4）自帶 EEPROM，開(kāi)發(fā)者設(shè)定的采集分辨率以及報(bào)警溫度信息都將存儲(chǔ)在其中，掉電重啟后依然保存相應(yīng)配置。

3.3.3水位傳感器

本文采用的是水位傳感器/雨滴檢測(cè)傳感器Water Sensor，其原理與土壤濕度傳感器相同。

3.3.4光照強(qiáng)度傳感器

市面上可用的光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊主要分為兩種，一種是利用光敏電阻獲得光照強(qiáng)度的模擬信號(hào)輸出，該傳感器價(jià)格最為低廉，但需要自己構(gòu)建光照強(qiáng)度與模擬信號(hào)直接的對(duì)應(yīng)公式。另一為內(nèi)置ADC轉(zhuǎn)換的數(shù)字式光照強(qiáng)度傳感器，我們采用的就是該類(lèi)型傳感器---BH1750。其不區(qū)分環(huán)境光源，可忽略復(fù)雜計(jì)數(shù)與標(biāo)定。利用內(nèi)置16bit的AD轉(zhuǎn)換電路，直接輸出0 ~ 65535lx。

3.4執(zhí)行部分

3.4.1補(bǔ)光燈

植物的生長(zhǎng)離不開(kāi)陽(yáng)光，若長(zhǎng)期缺乏光照則會(huì)出現(xiàn)生長(zhǎng)緩慢，葉片小而色淡，莖細(xì)長(zhǎng)不開(kāi)花等問(wèn)題。為了解決以上困擾同時(shí)避免花盆的頻繁搬動(dòng)，我們采用LED燈補(bǔ)光的解決方案。

結(jié)合常見(jiàn)LED光譜波段表及植物吸收的光譜，采用紅：藍(lán) = 2：1的LED組合燈帶。

3.4.2電磁閥

土壤濕度的補(bǔ)償方面，若采用傳統(tǒng)的水泵，則需要較大功率的輸出，為我們的供電模塊帶來(lái)較大的壓力，因而改用電磁閥與高水位勢(shì)能做工的方式，減少控制部分的總功率。

3.5數(shù)據(jù)交互部分

3.5.1WiFi模塊

該模塊接口較多，可支持IIC、PWM、GPIO 以及 ADC 等接口，可輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透?jìng)鳌Ｒ_描述如下所示：

該ESP8266模塊的工作頻段為全球共用的2.4GHz，信號(hào)發(fā)射功率僅為 15dbm，其主要特性如下表所示：

3.5.2OLED模塊

增加該模塊的初衷為1.0版本的交互方式較少，若不打開(kāi)APP查看，則無(wú)法獲取花盆實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。因而添加該模塊，目前僅作數(shù)據(jù)顯示使用，尚無(wú)菜單與按鍵等互動(dòng)。

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3.5.3CH340模塊

該模塊主要用于串口調(diào)試。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1驅(qū)動(dòng)

4.1.1DS18B20驅(qū)動(dòng)

4.1.2GY-30（BH1750）驅(qū)動(dòng)

4.1.3OLED（SSD1306）驅(qū)動(dòng)

《此處文字、代碼所占篇幅較多，需要跳轉(zhuǎn)鏈接，建議或搜索 智能花盆2.0驅(qū)動(dòng)，或查看原文》

4.2主控邏輯

系統(tǒng)在上電后開(kāi)始工作：首先完成的是各模塊的初始化以及機(jī)智云協(xié)議初始化，隨后在OLED上顯示開(kāi)機(jī)動(dòng)畫(huà)，ESP8266開(kāi)啟機(jī)智云一鍵配置。繼而進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)傳感器數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至OLED顯示；隨后進(jìn)行模式判斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化。為避免頻繁的數(shù)據(jù)上傳導(dǎo)致APP端控制命令沖突，在數(shù)據(jù)上傳前，需獲取計(jì)數(shù)器的值，實(shí)現(xiàn)非阻塞的延時(shí)上傳。最后檢測(cè)是否有云端控制命令，如有則進(jìn)行對(duì)應(yīng)的處理。在步入下一循環(huán)之前，須檢測(cè)是否系統(tǒng)異常，如存在異常則結(jié)束工作，如無(wú)異常則開(kāi)始下一次循環(huán)。

4.3機(jī)智云協(xié)議

4.3.1數(shù)據(jù)格式

1） 包頭（header）固定為0xFFFF；

2） 長(zhǎng)度（len）是指從cmd 開(kāi)始到整個(gè)數(shù)據(jù)包結(jié)束所占用的字節(jié)數(shù)；

3） 命令字（cmd）表示具體的命令含義，詳見(jiàn)協(xié)議舉例；

4） 消息序號(hào)（sn）由發(fā)送方給出，接收方響應(yīng)命令時(shí)需把消息序號(hào)返回給發(fā)送方；

5） 標(biāo)志位（flag），本產(chǎn)品填寫(xiě)默認(rèn)0；

6） payload（p0數(shù)據(jù)區(qū)），詳細(xì)參見(jiàn)p0 數(shù)據(jù)區(qū)約定；

7） 檢驗(yàn)和（checksum）的計(jì)算方式為從len～DATA，按字節(jié)求和；

8） 所有發(fā)送的命令都帶有確認(rèn)，如在200 毫秒內(nèi)沒(méi)有收到接收方的響應(yīng)，發(fā)送方；應(yīng)重發(fā)，最多重發(fā)3 次；

9） 多于一個(gè)字節(jié)的整型數(shù)字以大端字節(jié)序編碼（網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序）；

“p0 數(shù)據(jù)區(qū)約定”有如下功能：

1） WiFi模塊向MCU發(fā)送控制命令時(shí)攜帶p0 命令和命令標(biāo)志位以及可寫(xiě)數(shù)據(jù)區(qū)

2） MCU主動(dòng)發(fā)送狀態(tài)時(shí)或者回復(fù)模塊的狀態(tài)查詢時(shí)攜帶p0命令和完整數(shù)據(jù)區(qū)

3） 數(shù)據(jù)區(qū)會(huì)自動(dòng)合并布爾和枚舉變量，且有嚴(yán)格的順序，不可任意改變

上傳協(xié)議P0區(qū)：action（1B） + dev_status（11B） ;

下達(dá)協(xié)議p0區(qū)：action（1B） + attr_flags（1B） + attr_vals（6B）

4.3.2數(shù)據(jù)上報(bào)

4.3.3下行控制

4.4Gizwits運(yùn)作流程

起始工作是對(duì)外設(shè)、用戶和協(xié)議等的初始化。當(dāng) WiFi 通過(guò)串口設(shè)備配置并成功連接云平臺(tái)后，ESP8266將不斷收到來(lái)自云端的數(shù)據(jù)點(diǎn)和狀態(tài)信息。這些信息在接收完成后，會(huì)以GAgent協(xié)議幀的方式傳遞給主控芯片，而主控芯片再則將其放入緩沖區(qū)，之后進(jìn)行抓包解析，并進(jìn)行事件的處理，也就是下行的動(dòng)作執(zhí)行。如果再有上行數(shù)據(jù)采集，主控芯片將收到到數(shù)據(jù)處理為協(xié)議幀發(fā)送給WiFi 設(shè)備，再由WiFi負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。

五、裝配與測(cè)試

本文使用的方法是先將各模塊調(diào)通，再組合在一起，組合時(shí)電源問(wèn)題凹顯，于是買(mǎi)了一個(gè)多路電源模塊。外型部分目前僅用角鋼切割組成支架，算是半成品吧。

APP互動(dòng)界面與實(shí)物圖

六、存在問(wèn)題與改進(jìn)建議

6.1傳感器數(shù)據(jù)異常

解決辦法，數(shù)據(jù)采集后經(jīng)濾波處理，立Flag，近期出。

6.2運(yùn)行日志

改用SD卡存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行日志

6.3外型改進(jìn)

智能花盆支架---》將設(shè)備整合到花盆內(nèi)，為此應(yīng)該要自己畫(huà)PCB.。.

6.4傳感器升級(jí)

持續(xù)優(yōu)化傳感器部分，例如采用博世BME280環(huán)境溫濕度大氣壓三合一傳感器替代DS18B20實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集寬度上的升級(jí)。

6.5交互升級(jí)

未來(lái)可增加按鍵實(shí)現(xiàn)OLED菜單選擇；增加蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警提醒，增加LED狀態(tài)指示燈提示供電狀態(tài)與工作模式。

6.6自建服務(wù)器

使用自建服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)常見(jiàn)植株的最適宜生長(zhǎng)環(huán)境，為自動(dòng)化控制提供更智能的選擇。
編輯：lyn