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智能多肉植物养护系统的设计和实现

花匠小妙招
2024-11-21 04:31

黄浅李玲王晓光张松司秀雨
辽宁科技学院辽宁省本溪市 117000

               摘要：在现代社会，人们在追求舒适生活环境的同时，更注重家居环境设计中的绿色设计理念，在房间、阳台、屋顶、露台或庭院等空间从事园艺植物种植和装饰活动，从而有效协调生活环境，使家居更加人性化和个性化，富有自然氛围和生活情趣。其中园林园艺植物种植面积大，植物种类丰富，植物维护工作量大，需要智能家居产品帮助完成家居园艺维护。
        关键词：STC89C51；单片机；植物养护；光感模块；
        如今白领一族为了缓解压力会在办公室，家庭中放置多肉盆栽，但是工作繁忙不能经常打理，盆栽会长势不良甚至枯萎死亡。为了避免盆栽的死亡，文章提出一种智能多肉植物养护系统设计和实现，以STC89C51单片机为核心，检测和植物生长的温湿度、光照和土壤湿度等环境参数。根据检测数据和预设值对比，判断缺少或者饱和来传递给单片机以此控制自动实现浇水、补光和通风等功能。
        一、植物养护与物联网技术
        现代都市人追求绿色、健康的生活方式，人们常会选择栽培花草来陶冶情操，舒缓压力，以及装饰家居环境，以调节生活情趣。但是大部分人们对植物养护的了解甚少，只进行浇水、松土等简单养护，由于各种植物生长习性和状态不一，导致记错时间或混淆种类，常常造成“不知道什么时候该浇水”，“不知道每种植物该浇多少水”，甚至“忘记浇水”。有研究表明，花草80%以上的死亡是由于浇水不及时。然而，植物养护不仅仅是简单的浇水时间和浇水量问题。根据植物生长种类和习性，浇水因花而异：如肉质干性花卉少浇水（佛甲草、景天等）；喜湿花卉多浇（芦竹、风铃草等）；叶面生毛花卉（薄荷、薰衣草等）不宜叶面浇水，否则易感染病腐烂，还有叶片小，水分蒸发慢，浇水少（六月雪、紫薇等）；针叶树需水量少，孕苗期多浇，花期少浇。根据土壤品质不同，浇水量也不同。土壤持水性差的多浇，持水性好的少浇；土层厚的多浇，土层薄的少浇。此外，土温与水温不能相差太大，冷热保持在5摄氏度以内，两句俗语以警世人：“水温适度花枝茂，水温过冷花感冒。”“水温差五度，根系命呜呼。”季节的变化因素对浇水量也有影响。夏季高温，土易干燥，浇水相应增加。伏后空气干燥，连续晴天高温则一天两次，早晚各浇水一次，下午浇头，上午浇补水，必要时向植株喷水，向墙体、园路喷水，藉以增湿降温。进入秋季往往干旱，浇水不能松懈，与伏季相同。冬季植物进入休眠，保持土不过干即可。但北方干燥，植物和土壤水分极易被带走，浇水也可每天或几天一次，中午进行。
        针对此现象，设计出一种适用于多肉植物的养护系统，随时监测多肉植物的生长环境并及时作出相应措施给与相应保护。
        二、分析
        1.系统结构
        该装置由花盆、水槽、补水模块、控制器、土壤湿度传感器和光照传感器等组成。整个系统以STC89C51单片机为核心，通过传感器将测量到的数据传送给STC89C51。其进行处理后分别将数据传送到0LED上进行显示，并通过与设定阈值比较并控制补光灯、水阀、蜂鸣器等工作，达到调节植物生长环境的目的。
        2.硬件
        传感器：由于检测的对象不一样，所以需要用到不同类型的传感器模块，比如光敏传感器模块和温湿度传感器模块DHT11等。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。DHT11的供电电压为3~5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。本系统采用了模拟数字一体光敏传感器模块。该模块包括电源电路、光敏传感器电路、比较电路和输入输出电路，采用3.3~5.0 V电源供电，分别给光敏传感器电路、比较电路供电，光敏传感器电路的输出端连接双运算放大器的输入端，双运算放大器输出端与输出电路的输入端连接，输出数字信号或模拟信号，准确度高、反应速度快、功耗低、使用成本低。
        电源：本系统需要工作在于稳定可靠的直流电源。

考虑到运用于普通家庭，为了便于供电所以本系统采用USB或者手机充电器供电更为方便，且供电电压5 V。采用上述方式供电的优点是共用性强，电源稳定。
        单片机：单片机采用了STC系列单片机，是美国STC公司最新推出的一种新型51内核的单片机。片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、AD.PWM等模块。该器件的基本功能与普通的51单片机完全兼容,具有超低工作功耗，其功能齐全，引脚较多，具有在线调试功能，而且可以直接采用5 V供电，能与电源良好匹配。
        3.软件实现
        通过STC89C51的ADC12寄存器采集外部数据。需要对系统用到的GPIO口的功能进行设置，P6.0-6.6设置为模拟输入，用于采集湿度传感器、光敏传感器、空气温湿度传感器等的模拟电压值，对ADC模块进行初始化，其中包括ADC时钟使能，时钟分频因子设置，ADC的工作时钟频率设置，并设置工作模式为序列通道多次转换工作模式等。WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗
        P6SEL=0x0F;//使能管脚
        ADC12MCTL0=ADC12INCH_0;//初始化
        ADC12MCTL3=ADC12INCH_3+ADC12EOS;
        ADC12IE=0x08;//使能中断
        ADC12CTL0|=ADC12ENC;
        在主程序中，液晶实时地显示ADC的转换数值，并将转换值与用户设定值的进行对比，如果检测值小于用户设定的湿度限值，STC89C51通过GPIO驱动水泵，对花盆中的植物进行浇灌。当到达最大阈值则停止水泵。
        4. DHT11的驱动
        DHT11的数据口用于与微处理器之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，操作流程如下：一次完整的数据传输为40bit，高位先。出数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18 ms，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80μs低电平响应信号.主机发送开始信号结束后，延时等待20~40μs后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。所以需要用到单片机输出时序来驱动DHT11模块。
        while（!（P2IN&BIT2））;//等待14μs的低电平结束
        Delay_μs（30）;
        if（（P2IN&BIT2））//长于30μs定义为
        LOW;
        Delay_ms（20）;
        HIGH;
        Delay_μs（30）;//20--40
        总之，提出的多肉植物智能种植系统，通过单片机的监测和控制能够实时检测植物种植环境的温湿度、植物土壤湿度及光照条件，并根据环境变量来控制水泵、补光灯等终端设备，从而实现控制浇水和补光等功能。此系统可用于多肉养护，该系统运用了比较廉价的单片机和传感器模块，易于实现且低功耗，系统与用户通过OLED交互，易于用户了解盆栽生长环境，并对其加以适当干预。由于市面上还未有此功能的系统，因此具有一定的市场价值。
        参考文献：
        [1]曲杰琼.LED灯在植物补光领域的效用探究.2019.
        [2]张新宇.浅谈智能多肉植物养护系统的设计和实现.2020.
项目来源：辽宁科技学院大学生创新创业训练计划项目（202111430011）