基于单片机的智能多肉植物养殖系统设计与实现.pdf

2023 10 电脑编程技巧与维护 1 概述 随着人们生活质量需求的不断提高 在学习工作之 余养殖花卉逐渐成为一种新风尚 这不仅能净化空气 改善环境 还能调节心情 给生活增添绿意和生机 伴 随着花卉设施栽培技术的发展 花卉种类越来越丰富 人们对新奇花卉品种的需求逐渐增加 加之电子商务等 迅速发展 多肉植物养殖已由小众的爱好逐渐发展成为 多肉植物产业 与其他花卉相比 多肉植物养殖对光 照 土壤 温度和水分的要求差别较大 1 2 一般具有喜 光 耐旱 对温度敏感等特性 3 受限于不擅管理 不 懂栽培等因素 现阶段多肉植物养殖普遍存在智能化 程度不高 粗放式管控 单一化和不能实时监控等问 题 随着嵌入式技术的持续更新和发展 智能嵌入式 设备逐渐渗透到人们的生活 结合多肉植物养殖的现 实需求和嵌入式技术 物联网技术的发展 设计了一 款智能多肉植物养殖系统 该系统以 STC89C52RC 单 片机为控制核心 以土壤湿度传感器 光照传感器 环境温湿度传感器等设备采集环境温湿度 土壤湿 度 光照强度等生长环境变量 通过 LCD1602 显示 屏 App 等进行同步显示 根据按键设置的自动模式 和手动模式对异态进行处理 该系统适用于家庭 办 公室等工作场所 可以满足用户精细化养殖多肉植物 的需求 2 系统架构 系统采用STC89C52RC为控制核心 以土壤湿度传 感器 光照传感器 环境温湿度传感器等设备采集土壤 湿度 光照强度和环境温湿度等信息 经过数据处理 后 按照按键设置的模式发送相应数据到 LCD1602 进 行显示 将设置的土壤湿度的上限值和下限值 光照强 度的上限值和下限值与采集的数据进行对比 超过预设 值会产生相应的告警信号 如果模式为自动模式 则可 根据光照强度自动打开与闭合弱遮阳帘 根据湿度情况 控制水泵机进行浇水 停止浇水 采集的数据还可以 通过 ESP8266 WiFi 通信模块上传到服务器 用户通过 App可以实现远程信息查看及异态的处理 硬件总体结 构框图如图1所示 除构成单片机的最小硬件系统 单 片机 时钟电路 复位电路 外 主要还包括信息采集 模块 环境温湿度传感器 土壤湿度传感器 DHT11 光照传感器 A D 转换模块 执行模块 遮阳伞 水 泵 通信模块 人机交互模块 独立按键模块 LCD1602显示模块 和电源模块5部分 3 系统硬件 3 1 信息采集模块 信息采集模块由环境温湿度传感器 DHT11 土壤 湿度传感器 光照传感器 A D 转换模块 ADC0832 组成 如图 2 所示 温湿度传感器 DHT11 主要负责环 境温湿度的采集 其中 测量范围为湿度 20 90 基金项目 内蒙古农业大学职业技术学院 智慧农牧业 科技创新团队网络与嵌入式应用子团队 阶段性成果 批准号 TDE202308 作者简介 祝鹏 1987 男 硕士 讲师 研究方 向为物联网 数据分析与挖掘 包永红 1981 男 硕士 讲师 研究方向为软件技术 基于单片机的智能多肉植物养殖系统设计与实现 祝鹏 包永红 内蒙古农业大学职业技术学院 内蒙古 包头 014109 摘 要 为解决现阶段多肉植物养殖智能化程度不高 管控不便等问题 设计了一款智能化 自动化的 智能多肉植物养殖系统 该系统以STC89C52RC单片机为控制核心 以土壤湿度传感器 光照传感器 环境温湿度传感器等设备采集生长环境变量 通过LCD1602显示屏 按键等实现人机现场交互 通过 ESP8266 WiFi通信模块和App实现人机的远程交互 实验表明 在此设计的系统实现了对多肉植物生 长环境的异态感知与反向控制 具有响应快 稳定性高 安全性强等优点 关键词 单片机 智能设备 多肉植物养殖 温湿度检测 ESP8266模块 图1 硬件总体结构框图 光照传感器 独立按键模块 LCD1602 显示模块 信 息 采 集 模 块 环境温湿度传感器 DHT11 土壤湿度传感器 通 信 模 块 App ESP 8266 WiFi 模块 A D 转换 模块 STC89C52RC 单片机 驱动芯片 步进电机 遮阳伞 执 行 模 块继电器控制电路 水泵 人机 交互 模块 电源 模块 5V 12V 3 3V 125 DOI 10 16184 prg 2023 10 026 2023 10 电脑编程技巧与维护 RH 温度为0 50 测量湿度分辨率为1 RH 测量 温度分辨率为 1 采样周期 1 s 主要有 VCC 供电 3 5 5 5 V DATA 单总线串行数据 NC 悬空 GND 接地 4个引脚 DHT11与单片机之间采用单总线进行 通信 因此仅需要一个I O口 即将DATA引脚与单片 机 P2 4 口连接 在获取传感器数据时 首先 按照设 计要求进行电平操作 将电平拉低 18 ms 后再拉高电 平 然后 等待传感器响应 响应成功后进行数据读 出 数据接收顺序为湿度高位 湿度低位 温度高位 温度低位 最后组成温湿度数据 光敏传感器采用 GL5516光敏电阻采集光照强度数据 通过ADC0832 的 模拟输入通道 CH1 进行转换并获取数字量 土壤湿度 传感器先采用土壤湿度检测探头采集模拟量数据 再通 过ADC0832 的模拟输入通道CH0转换数字量 4 5 图2 信息采集模块电路图 3 2 执行模块 执行模块主要负责完成遮阳伞的打开与关闭 水泵 的打开与关闭操作 由遮阳伞控制模块和水泵控制模块 组成 其中 遮阳伞控制模块由 ULN2003 驱动芯片和 28BYJ 48 步进电机组成 ULN2003 驱动芯片主要起到 放大作用 28BYJ 48 步进电机控制遮阳伞 步进电机 有正转编码和反转编码 固定编码读取数组中的数据 即可实现正转和反转 即遮阳伞的打开与闭合操作 水 泵控制模块主要由控制电路和水泵组成 控制电路可以 采用三极管控制或继电器控制 6 设计采用继电器控制 方式 当单片机输出高电平时 引发继电器开关动作 水泵正常工作 当单片机输出低电平时 引发继电器断 开 水泵停止工作 3 3 通信模块 通信模块由 ESP8266 模块和手机 App 组成 其中 ESP8266模块是物联网常用模块 通过串口与单片机进 行通信 RX 与 TX 通过传输指定命令实现控制 手 机端可以通过WiFi连接ESP8266所提供的WiFi并进行 相应命令的收发 把提前设置好的命令参数通过连接 ESP8266 的 WiFi 传入模块 再通过 ESP8266 与单片机 间的串口连接进行通信 把数据传入单片机并执行相应 指令 7 使用过程中先将 ESP8266 初始化 再连接 USB 转串口工具并打开串口调试程序 将ESP8266模式配置 为AT指令 开启服务器模式 给定端口号 获取IP地 址 手机连接对应WiFi 在App中输入端口号和 IP 地 址等配网信息 使 ESP8266 模块连接到无线路由器 WiFi 此时打开特定App能够查看当前植物的状态 包 括温度 土壤湿度 光照强度 同时还可以输出反向控 制命令 对多肉系统进行自动与手动模式的转换 遮阳 伞的打开与关闭 水泵的打开与关闭等操作 3 4 人机交互模块 人机交互模块由 LCD1602 按键 LED 等组成 LCD1602 是字符型液晶 每字 5 8 点阵 字符区域为 16 2 个 其显示字母和数字比较方便 控制简单 成 本较低 按键采用独立按键方式 由4个按键 S1 S2 S3 S4 组成 S1 键为设置按键 可设置温度 湿度 光照的预设值 并进入设置模式 在设置模式中 S4 键 切换设置位置 即设置不同参数的上限值和下限值 S2 S3 键功能为数值加减 退出设置模式即再次点按 S1 键 S2 键功能为切换工作模式 可切换为 M 手动 模式 A 自动模式 并在屏幕 Md 模式 字样后 显示当前模式 S3 键功能为控制步进电机旋转 即控 制遮阳伞的开合状态 按下S3键正转360 打开遮阳伞 再次按下S3键即反转360 关闭遮阳伞 遮阳伞状态在 St 遮阳伞状态 字样后显示 O 为打开状态 C为 关闭状态 S4 键功能为控制水泵机工作状态 按下 S4 键时水泵工作 再次按下 S4 键时水泵停止工作 LED主要用来指示电源的状态 3 5 电源模块 电源模块主要提供整个电路工作的电压 主要由 温湿度传感器 光敏传感器 土壤湿度传感器 ADC 数据采集 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 电脑编程技巧与维护 3 3 V电压 5 V电压和12 V电压组成 其中 3 3 V电 压主要给ESP8266 供电 5 V 电压主要给单片机 信息 采集模块 LCD1602 显示模块等供电 12 V 电压主要 给执行模块供电 既可采用电池组供电 也可采用直流 电源供电 考虑维护 成本 健壮性等因素 选择直流 电源供电 直流电源由变压器电路 整流电路 滤波电 路和稳压电路等组成 4 系统软件 4 1 主程序 程序框架以主程序为核心框架 加入信息采集控制 模块子程序 总体程序流程如下 系统上电运行 执行 自检和设备初始化 进行按键扫描 如有按键判断类型 并执行对应的按键处理程序 主要有土壤湿度阈值设 置 光照强度阈值设置 温度阈值设置 工作模式设置 及手动模式下遮阳伞 水泵工作状态设置等 然后执 行信息采集控制模块子程序 采集土壤湿度 光照强度 和环境温湿度等参数信息 由 LCD1602 进行显示 并 且通过 WiFi 通信模块上传到服务器端 通过 App 进行 显示 程序主流程如图3所示 4 2 信息采集控制模块子程序 信息采集控制模块子程序主要完成土壤湿度 光照 强度和环境温湿度等参数的采集并进行异态处理 即将 采集的数值与设定的阈值进行比较 如果数值不在正常 范围内 则根据设置的工作模式进行异态处理 如果为 自动模式 且光照强度数据异常 则自动控制步进电机 完成遮阳伞的打开与闭合 若土壤湿度数据异常 则自 动控制继电器驱动水泵工作与停止工作 若环境温湿度 异常 则不做反向控制 只给出告警提示 如果为手动 模式 则相应异常参数在 LCD1602 上闪烁显示 通过 按键 S3 S4 手动操作遮阳伞或水泵 信息采集控制模 块程序流程如图4所示 5 结语 基于单片机的智能多肉植物养殖系统以土壤湿度传 感器 光照传感器 环境温湿度传感器等设备采集生长 环境变量 通过按键等设置植物相关环境变量的阈值及 系统的控制模式 将采集参数与设置的阈值进行比较 根据系统的控制模式自动或手动控制水泵或遮阳伞 同 时可经由 LCD1602 显示屏 ESP8266 WiFi 通信模块和 App 实现人机的交互 满足了产品功能和设计的需求 但在针对不同多肉植物土壤湿度的特殊要求打造专家系 统 根据具体养殖的多肉植物建立湿度模型 多盆盆栽 植物环境变量的精准采集及汇集等方面还存在不足 有 待进一步提高和改进 参考文献 1 邱巍 王磊 衣立夫 等 露天养护多肉植物自动 遮阳遮雨装置设计 J 农业科技与装备 2019 291 42 43 2 丁晓浩 金继良 蔡健 等 不同光源条件下多肉 植物生长发育的研究 J 黑河学院学报 2020 2 215 217 图3 程序主流程 图4 信息采集控制模块程序流程 开始 自检和设备初始化 按键扫描 是 按键处理程序 否 信息采集控制模块 子程序 显示及数据上报 开始 各传感器参数采集 否 异常参数 闪烁显示 通过按键 S3 S4 手动 驱动遮阳伞或水泵 自动模式 是 土壤湿度 是否正常 低于下限阈值 高于上限阈值 驱动水泵抽水 关闭水泵抽水 是 是 是 否 否 否 光照强度 是否正常 高于上限阈值 低于下限阈值 打开遮阳伞 关闭遮阳伞 是 是 是 否 否 否 环境温湿度 是否正常 给出告警 提示 否 是 下转第151页 127 2023 10 电脑编程技巧与维护 3 和学泰 李子良 李庆党 基于单片机的智能多肉 养殖系统设计 J 工业控制计算机 2021 34 9 147 148 4 朱春馨 刘亚荣 谢晓兰 等 多肉植物大棚环境 控制系统设计 J 电子设计工程 2023 31 1 189 193 5 洪树亮 基于单片机智能浇花控制系统的设计 J 电子世界 2019 8 173 174 6 张子瑜 张晓芳 一种基于单片机的自动浇花系 统设计 J 电脑编程技巧与维护 2023 1 104 106 7 何伟 程万杰 刘涛 等 基于 ESP8266 的网络智 能浇花系统 J 电子世界 2020 3 87 88 上接第127页 208 99 68 22 5 结语 采用的图像配准算法可以提取丰富的 Susan 角点特 征 另外 Susan 算子对于噪声的抵抗力较强 保证了 基于点特征配准的可行性 相对于多源遥感图像配准算 法 仅仅在点特征提取阶段需要设置亮度差阈值 t 控 制 Susan 特征点的数量 后续的点特征匹配 空间模型 参数求解 图像变换重采样均可以实现自动化 点特征 匹配算法可以挖掘出充裕数量的同名点对 且不会出现 错误匹配点对 对于各类多源图像均具备很强的鲁棒 性 利用获得的同名控制点对迭代修正计算变换参数 将误差范围控制在 0 5 个像素之内 从而保证了图像的 配准精度 较快的配准速度 各类图像的配准速度均在 45 s 以内 适用于存在较大平移 旋转量的图像配准 但是 Susan 算法对复杂纹理图像的漏检率相对过高 因 此进一步降低错误率是未来研究的方向 参考文献 1 何文峰 查红彬 基于平面特征的深度图像配准 D 北京 北京大学 2006 2 倪国强 刘琼 多源图像配准技术分析与展望 J 光电工程 2004 31 9 1 6 3 王东峰 多模态和大型图像配准技术研究 D 北 京 中国科学院 2002 4 张迁 刘政凯 庞彦伟 等 基于 SUSAN 算法的航 空影像的自动配准 J 测绘学报 2003 32 3 245 250 5 周成平 蒋煜 李玲玲 等 基于改进角点特征的 多传感器图像配准 J 华中科技大学学报 2005 33 11 1 4 6 王小睿 吴信才 李军 模拟退火算法的改进策略 在模板匹配上的应用 J 小型微型计算机系统 1997 18 8 32 37 图8 存在较大平移 旋转量的图像配准 a b c d e nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 151