摘要:以STM32F407ZGT6單片機為核心控制器設(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實時操作系統(tǒng)結(jié)合起來，實現(xiàn)對花園環(huán)境以及動植物情況的實時監(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)實現(xiàn)了實時控制，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)護的知識技能，更不用去請專人管理維護，直接使用智能綠植養(yǎng)護陽臺系統(tǒng)就可以實現(xiàn)養(yǎng)護一體化。

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)實背景[4]設(shè)計，以STM32F407ZGT6單片機為核心控制器，通過μC/OS-Ⅲ實時操作系統(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)進行通信連接，用戶可以通過機智云和手機App連接，實現(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，因為其不僅直接影響到系統(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，單片機即可控制繼電器操作小水泵進行灌溉。

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，用于實現(xiàn)系統(tǒng)運行的續(xù)航并節(jié)約能源。太陽能自動追光系統(tǒng)主要由2個步進電機以及驅(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電機應(yīng)該往哪個方向進行轉(zhuǎn)動。為了實現(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。因為兩個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是一樣的。

因為用的是5516光敏電阻，光照越強，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的光照強度大于R1，步進電機就會往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，步進電機才會停止移動；相反，當(dāng)ADC值小于1.55 V時，步進電機就會往R1方向移動，當(dāng)電壓值平穩(wěn)在1.55～1.75 V時，步進電機才會停止移動?？梢砸酝瑯拥霓k法在另外兩個方向上設(shè)計同樣的一個串聯(lián)分壓電路，從而達到同樣的效果。

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

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魚缸里的水是否到達設(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)由步進電機、裝料器皿構(gòu)成，使用起來非常方便，將魚料放進裝料器皿中，然后通過步進電機旋轉(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)送脈沖給步進電機，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)動步進電機，就能達到自動喂食的效果。

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，保護家庭的環(huán)境，更重要的是可以減輕用戶的負擔(dān)，也為微生態(tài)花園增添了一份生機。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，以便實現(xiàn)遠程喂食、喂水等功能。

通過主控芯片STM32F407ZGT6控制DHT11溫濕度傳感器，將采集到的信號運算后實時顯示在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CApp上，用戶可以通過手機發(fā)送指令來進行相應(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菌，其中的負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紫外燈進行定時殺菌操作，可以抑制細菌的繁殖。

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

(4) 喂食系統(tǒng)主要由STM32F407ZGT6主控芯片、步進電機、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App發(fā)送指令到機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，然后通過Wi-Fi模塊接收到信號，進而通過單片機控制步進電機打開閥門，食物和水就會自動加到寵物的碗里。

6 μC/OS-Ⅲ實時操作系統(tǒng)

μC/OS-Ⅲ系統(tǒng)能將需要操作的硬件實時顯示在TFT-LCD上，為使人機界面更加直觀、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)上傳至機智云云端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，便于分析。并在終端顯示數(shù)據(jù)，達到遠程觀測、遠程控制的目的。

隨后進行應(yīng)用開發(fā)，在機智云目錄處找到“MCU開發(fā)”，點擊“進入”，選擇“獨立MCU模式”，然后選擇正在用的單片機或開發(fā)板的芯片型號所對應(yīng)的硬件平臺。

接著，在機智云官網(wǎng)上成功創(chuàng)建設(shè)備產(chǎn)品，機智云為該產(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模塊登錄機智云后，機智云將會識別該Product 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App與單片機的連接。全部設(shè)計好后，到機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與單片機通信的ESP8266 Wi-Fi連接到同一個網(wǎng)絡(luò)下，然后就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸了。

最后，用戶可以在App上發(fā)送相應(yīng)指令，通過機智云平臺接收數(shù)據(jù)，與單片機相連的ESP8266 Wi-Fi接收到指令后通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)操作，從而達到遠程監(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，分層分級管理獲取空間參數(shù)，實現(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，不僅可以實現(xiàn)陽臺微生態(tài)系統(tǒng)的智能調(diào)節(jié)和遠程操作，還可以采用新方法、新設(shè)計，廣泛運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)測和遠程控制。