基于單片機的智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng)設計與實現(xiàn).pdf

2023 10 電腦編程技巧與維護 1 概述 隨著人們生活質(zhì)量需求的不斷提高 在學習工作之 余養(yǎng)殖花卉逐漸成為一種新風尚 這不僅能凈化空氣 改善環(huán)境 還能調(diào)節(jié)心情 給生活增添綠意和生機 伴 隨著花卉設施栽培技術的發(fā)展 花卉種類越來越豐富 人們對新奇花卉品種的需求逐漸增加 加之電子商務等 迅速發(fā)展 多肉植物養(yǎng)殖已由小眾的愛好逐漸發(fā)展成為 多肉植物產(chǎn)業(yè) 與其他花卉相比 多肉植物養(yǎng)殖對光 照 土壤 溫度和水分的要求差別較大 1 2 一般具有喜 光 耐旱 對溫度敏感等特性 3 受限于不擅管理 不 懂栽培等因素 現(xiàn)階段多肉植物養(yǎng)殖普遍存在智能化 程度不高 粗放式管控 單一化和不能實時監(jiān)控等問 題 隨著嵌入式技術的持續(xù)更新和發(fā)展 智能嵌入式 設備逐漸滲透到人們的生活 結(jié)合多肉植物養(yǎng)殖的現(xiàn) 實需求和嵌入式技術 物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展 設計了一 款智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng) 該系統(tǒng)以 STC89C52RC 單 片機為控制核心 以土壤濕度傳感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設備采集環(huán)境溫濕度 土壤濕 度 光照強度等生長環(huán)境變量 通過 LCD1602 顯示 屏 App 等進行同步顯示 根據(jù)按鍵設置的自動模式 和手動模式對異態(tài)進行處理 該系統(tǒng)適用于家庭 辦 公室等工作場所 可以滿足用戶精細化養(yǎng)殖多肉植物 的需求 2 系統(tǒng)架構(gòu) 系統(tǒng)采用STC89C52RC為控制核心 以土壤濕度傳 感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設備采集土壤 濕度 光照強度和環(huán)境溫濕度等信息 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理 后 按照按鍵設置的模式發(fā)送相應數(shù)據(jù)到 LCD1602 進 行顯示 將設置的土壤濕度的上限值和下限值 光照強 度的上限值和下限值與采集的數(shù)據(jù)進行對比 超過預設 值會產(chǎn)生相應的告警信號 如果模式為自動模式 則可 根據(jù)光照強度自動打開與閉合弱遮陽簾 根據(jù)濕度情況 控制水泵機進行澆水 停止?jié)菜?采集的數(shù)據(jù)還可以 通過 ESP8266 WiFi 通信模塊上傳到服務器 用戶通過 App可以實現(xiàn)遠程信息查看及異態(tài)的處理 硬件總體結(jié) 構(gòu)框圖如圖1所示 除構(gòu)成單片機的最小硬件系統(tǒng) 單 片機 時鐘電路 復位電路 外 主要還包括信息采集 模塊 環(huán)境溫濕度傳感器 土壤濕度傳感器 DHT11 光照傳感器 A D 轉(zhuǎn)換模塊 執(zhí)行模塊 遮陽傘 水 泵 通信模塊 人機交互模塊 獨立按鍵模塊 LCD1602顯示模塊 和電源模塊5部分 3 系統(tǒng)硬件 3 1 信息采集模塊 信息采集模塊由環(huán)境溫濕度傳感器 DHT11 土壤 濕度傳感器 光照傳感器 A D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0832 組成 如圖 2 所示 溫濕度傳感器 DHT11 主要負責環(huán) 境溫濕度的采集 其中 測量范圍為濕度 20 90 基金項目 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術學院 智慧農(nóng)牧業(yè) 科技創(chuàng)新團隊網(wǎng)絡與嵌入式應用子團隊 階段性成果 批準號 TDE202308 作者簡介 祝鵬 1987 男 碩士 講師 研究方 向為物聯(lián)網(wǎng) 數(shù)據(jù)分析與挖掘 包永紅 1981 男 碩士 講師 研究方向為軟件技術 基于單片機的智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng)設計與實現(xiàn) 祝鵬 包永紅 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術學院 內(nèi)蒙古 包頭 014109 摘 要 為解決現(xiàn)階段多肉植物養(yǎng)殖智能化程度不高 管控不便等問題 設計了一款智能化 自動化的 智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng) 該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機為控制核心 以土壤濕度傳感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設備采集生長環(huán)境變量 通過LCD1602顯示屏 按鍵等實現(xiàn)人機現(xiàn)場交互 通過 ESP8266 WiFi通信模塊和App實現(xiàn)人機的遠程交互 實驗表明 在此設計的系統(tǒng)實現(xiàn)了對多肉植物生 長環(huán)境的異態(tài)感知與反向控制 具有響應快 穩(wěn)定性高 安全性強等優(yōu)點 關鍵詞 單片機 智能設備 多肉植物養(yǎng)殖 溫濕度檢測 ESP8266模塊 圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 光照傳感器 獨立按鍵模塊 LCD1602 顯示模塊 信 息 采 集 模 塊 環(huán)境溫濕度傳感器 DHT11 土壤濕度傳感器 通 信 模 塊 App ESP 8266 WiFi 模塊 A D 轉(zhuǎn)換 模塊 STC89C52RC 單片機 驅(qū)動芯片 步進電機 遮陽傘 執(zhí) 行 模 塊繼電器控制電路 水泵 人機 交互 模塊 電源 模塊 5V 12V 3 3V 125 DOI 10 16184 prg 2023 10 026 2023 10 電腦編程技巧與維護 RH 溫度為0 50 測量濕度分辨率為1 RH 測量 溫度分辨率為 1 采樣周期 1 s 主要有 VCC 供電 3 5 5 5 V DATA 單總線串行數(shù)據(jù) NC 懸空 GND 接地 4個引腳 DHT11與單片機之間采用單總線進行 通信 因此僅需要一個I O口 即將DATA引腳與單片 機 P2 4 口連接 在獲取傳感器數(shù)據(jù)時 首先 按照設 計要求進行電平操作 將電平拉低 18 ms 后再拉高電 平 然后 等待傳感器響應 響應成功后進行數(shù)據(jù)讀 出 數(shù)據(jù)接收順序為濕度高位 濕度低位 溫度高位 溫度低位 最后組成溫濕度數(shù)據(jù) 光敏傳感器采用 GL5516光敏電阻采集光照強度數(shù)據(jù) 通過ADC0832 的 模擬輸入通道 CH1 進行轉(zhuǎn)換并獲取數(shù)字量 土壤濕度 傳感器先采用土壤濕度檢測探頭采集模擬量數(shù)據(jù) 再通 過ADC0832 的模擬輸入通道CH0轉(zhuǎn)換數(shù)字量 4 5 圖2 信息采集模塊電路圖 3 2 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊主要負責完成遮陽傘的打開與關閉 水泵 的打開與關閉操作 由遮陽傘控制模塊和水泵控制模塊 組成 其中 遮陽傘控制模塊由 ULN2003 驅(qū)動芯片和 28BYJ 48 步進電機組成 ULN2003 驅(qū)動芯片主要起到 放大作用 28BYJ 48 步進電機控制遮陽傘 步進電機 有正轉(zhuǎn)編碼和反轉(zhuǎn)編碼 固定編碼讀取數(shù)組中的數(shù)據(jù) 即可實現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) 即遮陽傘的打開與閉合操作 水 泵控制模塊主要由控制電路和水泵組成 控制電路可以 采用三極管控制或繼電器控制 6 設計采用繼電器控制 方式 當單片機輸出高電平時 引發(fā)繼電器開關動作 水泵正常工作 當單片機輸出低電平時 引發(fā)繼電器斷 開 水泵停止工作 3 3 通信模塊 通信模塊由 ESP8266 模塊和手機 App 組成 其中 ESP8266模塊是物聯(lián)網(wǎng)常用模塊 通過串口與單片機進 行通信 RX 與 TX 通過傳輸指定命令實現(xiàn)控制 手 機端可以通過WiFi連接ESP8266所提供的WiFi并進行 相應命令的收發(fā) 把提前設置好的命令參數(shù)通過連接 ESP8266 的 WiFi 傳入模塊 再通過 ESP8266 與單片機 間的串口連接進行通信 把數(shù)據(jù)傳入單片機并執(zhí)行相應 指令 7 使用過程中先將 ESP8266 初始化 再連接 USB 轉(zhuǎn)串口工具并打開串口調(diào)試程序 將ESP8266模式配置 為AT指令 開啟服務器模式 給定端口號 獲取IP地 址 手機連接對應WiFi 在App中輸入端口號和 IP 地 址等配網(wǎng)信息 使 ESP8266 模塊連接到無線路由器 WiFi 此時打開特定App能夠查看當前植物的狀態(tài) 包 括溫度 土壤濕度 光照強度 同時還可以輸出反向控 制命令 對多肉系統(tǒng)進行自動與手動模式的轉(zhuǎn)換 遮陽 傘的打開與關閉 水泵的打開與關閉等操作 3 4 人機交互模塊 人機交互模塊由 LCD1602 按鍵 LED 等組成 LCD1602 是字符型液晶 每字 5 8 點陣 字符區(qū)域為 16 2 個 其顯示字母和數(shù)字比較方便 控制簡單 成 本較低 按鍵采用獨立按鍵方式 由4個按鍵 S1 S2 S3 S4 組成 S1 鍵為設置按鍵 可設置溫度 濕度 光照的預設值 并進入設置模式 在設置模式中 S4 鍵 切換設置位置 即設置不同參數(shù)的上限值和下限值 S2 S3 鍵功能為數(shù)值加減 退出設置模式即再次點按 S1 鍵 S2 鍵功能為切換工作模式 可切換為 M 手動 模式 A 自動模式 并在屏幕 Md 模式 字樣后 顯示當前模式 S3 鍵功能為控制步進電機旋轉(zhuǎn) 即控 制遮陽傘的開合狀態(tài) 按下S3鍵正轉(zhuǎn)360 打開遮陽傘 再次按下S3鍵即反轉(zhuǎn)360 關閉遮陽傘 遮陽傘狀態(tài)在 St 遮陽傘狀態(tài) 字樣后顯示 O 為打開狀態(tài) C為 關閉狀態(tài) S4 鍵功能為控制水泵機工作狀態(tài) 按下 S4 鍵時水泵工作 再次按下 S4 鍵時水泵停止工作 LED主要用來指示電源的狀態(tài) 3 5 電源模塊 電源模塊主要提供整個電路工作的電壓 主要由 溫濕度傳感器 光敏傳感器 土壤濕度傳感器 ADC 數(shù)據(jù)采集 5V DHT11 R1 10k 1 2 3 4 P2 4 VCC DATA NC GND 5V R2 10k CH1 38 1 GL5516 5V R3 10k CH0 2 1 5V U1 P1 2 8 7CH0 CH1 P1 0 P1 1 VCC CLK DI DO ADC0832 6 5 4 3 2 1 CS CH0 CH1 GND 126 2023 10 電腦編程技巧與維護 3 3 V電壓 5 V電壓和12 V電壓組成 其中 3 3 V電 壓主要給ESP8266 供電 5 V 電壓主要給單片機 信息 采集模塊 LCD1602 顯示模塊等供電 12 V 電壓主要 給執(zhí)行模塊供電 既可采用電池組供電 也可采用直流 電源供電 考慮維護 成本 健壯性等因素 選擇直流 電源供電 直流電源由變壓器電路 整流電路 濾波電 路和穩(wěn)壓電路等組成 4 系統(tǒng)軟件 4 1 主程序 程序框架以主程序為核心框架 加入信息采集控制 模塊子程序 總體程序流程如下 系統(tǒng)上電運行 執(zhí)行 自檢和設備初始化 進行按鍵掃描 如有按鍵判斷類型 并執(zhí)行對應的按鍵處理程序 主要有土壤濕度閾值設 置 光照強度閾值設置 溫度閾值設置 工作模式設置 及手動模式下遮陽傘 水泵工作狀態(tài)設置等 然后執(zhí) 行信息采集控制模塊子程序 采集土壤濕度 光照強度 和環(huán)境溫濕度等參數(shù)信息 由 LCD1602 進行顯示 并 且通過 WiFi 通信模塊上傳到服務器端 通過 App 進行 顯示 程序主流程如圖3所示 4 2 信息采集控制模塊子程序 信息采集控制模塊子程序主要完成土壤濕度 光照 強度和環(huán)境溫濕度等參數(shù)的采集并進行異態(tài)處理 即將 采集的數(shù)值與設定的閾值進行比較 如果數(shù)值不在正常 范圍內(nèi) 則根據(jù)設置的工作模式進行異態(tài)處理 如果為 自動模式 且光照強度數(shù)據(jù)異常 則自動控制步進電機 完成遮陽傘的打開與閉合 若土壤濕度數(shù)據(jù)異常 則自 動控制繼電器驅(qū)動水泵工作與停止工作 若環(huán)境溫濕度 異常 則不做反向控制 只給出告警提示 如果為手動 模式 則相應異常參數(shù)在 LCD1602 上閃爍顯示 通過 按鍵 S3 S4 手動操作遮陽傘或水泵 信息采集控制模 塊程序流程如圖4所示 5 結(jié)語 基于單片機的智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng)以土壤濕度傳 感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設備采集生長 環(huán)境變量 通過按鍵等設置植物相關環(huán)境變量的閾值及 系統(tǒng)的控制模式 將采集參數(shù)與設置的閾值進行比較 根據(jù)系統(tǒng)的控制模式自動或手動控制水泵或遮陽傘 同 時可經(jīng)由 LCD1602 顯示屏 ESP8266 WiFi 通信模塊和 App 實現(xiàn)人機的交互 滿足了產(chǎn)品功能和設計的需求 但在針對不同多肉植物土壤濕度的特殊要求打造專家系 統(tǒng) 根據(jù)具體養(yǎng)殖的多肉植物建立濕度模型 多盆盆栽 植物環(huán)境變量的精準采集及匯集等方面還存在不足 有 待進一步提高和改進 參考文獻 1 邱巍 王磊 衣立夫 等 露天養(yǎng)護多肉植物自動 遮陽遮雨裝置設計 J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 2019 291 42 43 2 丁曉浩 金繼良 蔡健 等 不同光源條件下多肉 植物生長發(fā)育的研究 J 黑河學院學報 2020 2 215 217 圖3 程序主流程 圖4 信息采集控制模塊程序流程 開始 自檢和設備初始化 按鍵掃描 是 按鍵處理程序 否 信息采集控制模塊 子程序 顯示及數(shù)據(jù)上報 開始 各傳感器參數(shù)采集 否 異常參數(shù) 閃爍顯示 通過按鍵 S3 S4 手動 驅(qū)動遮陽傘或水泵 自動模式 是 土壤濕度 是否正常 低于下限閾值 高于上限閾值 驅(qū)動水泵抽水 關閉水泵抽水 是 是 是 否 否 否 光照強度 是否正常 高于上限閾值 低于下限閾值 打開遮陽傘 關閉遮陽傘 是 是 是 否 否 否 環(huán)境溫濕度 是否正常 給出告警 提示 否 是 下轉(zhuǎn)第151頁 127 2023 10 電腦編程技巧與維護 3 和學泰 李子良 李慶黨 基于單片機的智能多肉 養(yǎng)殖系統(tǒng)設計 J 工業(yè)控制計算機 2021 34 9 147 148 4 朱春馨 劉亞榮 謝曉蘭 等 多肉植物大棚環(huán)境 控制系統(tǒng)設計 J 電子設計工程 2023 31 1 189 193 5 洪樹亮 基于單片機智能澆花控制系統(tǒng)的設計 J 電子世界 2019 8 173 174 6 張子瑜 張曉芳 一種基于單片機的自動澆花系 統(tǒng)設計 J 電腦編程技巧與維護 2023 1 104 106 7 何偉 程萬杰 劉濤 等 基于 ESP8266 的網(wǎng)絡智 能澆花系統(tǒng) J 電子世界 2020 3 87 88 上接第127頁 208 99 68 22 5 結(jié)語 采用的圖像配準算法可以提取豐富的 Susan 角點特 征 另外 Susan 算子對于噪聲的抵抗力較強 保證了 基于點特征配準的可行性 相對于多源遙感圖像配準算 法 僅僅在點特征提取階段需要設置亮度差閾值 t 控 制 Susan 特征點的數(shù)量 后續(xù)的點特征匹配 空間模型 參數(shù)求解 圖像變換重采樣均可以實現(xiàn)自動化 點特征 匹配算法可以挖掘出充裕數(shù)量的同名點對 且不會出現(xiàn) 錯誤匹配點對 對于各類多源圖像均具備很強的魯棒 性 利用獲得的同名控制點對迭代修正計算變換參數(shù) 將誤差范圍控制在 0 5 個像素之內(nèi) 從而保證了圖像的 配準精度 較快的配準速度 各類圖像的配準速度均在 45 s 以內(nèi) 適用于存在較大平移 旋轉(zhuǎn)量的圖像配準 但是 Susan 算法對復雜紋理圖像的漏檢率相對過高 因 此進一步降低錯誤率是未來研究的方向 參考文獻 1 何文峰 查紅彬 基于平面特征的深度圖像配準 D 北京 北京大學 2006 2 倪國強 劉瓊 多源圖像配準技術分析與展望 J 光電工程 2004 31 9 1 6 3 王東峰 多模態(tài)和大型圖像配準技術研究 D 北 京 中國科學院 2002 4 張遷 劉政凱 龐彥偉 等 基于 SUSAN 算法的航 空影像的自動配準 J 測繪學報 2003 32 3 245 250 5 周成平 蔣煜 李玲玲 等 基于改進角點特征的 多傳感器圖像配準 J 華中科技大學學報 2005 33 11 1 4 6 王小睿 吳信才 李軍 模擬退火算法的改進策略 在模板匹配上的應用 J 小型微型計算機系統(tǒng) 1997 18 8 32 37 圖8 存在較大平移 旋轉(zhuǎn)量的圖像配準 a b c d e nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 151