基于物联网的家用智能盆栽浇灌器

王正阳 陈婷 李雪竹

【摘 要】大多植物都必需每天按时按量给它们浇水，若忘记浇水，它们就可能会因缺水而枯死。为了满足需求，采用OBLOQ物联网模块接收数据并发送给microbit芯片，根据湿度数据利用算法控制舵机浇水可以解决在这方面出现的问题。利用湿度采集传感器对土壤数据进行采集，microbit芯片控制和调度舵机设备，目的是实现新型家居生活中的自动化控制，解决其存在的问题。该项目通过大量实验，完成了microbit芯片的总控作用和节点的采集及调度工作，实现了从采集到传输、处理，再到调度的自动化流程，并在实验中得到了性能的改进。

【关键词】物联网;传感器;microbit

现在正处于高速发展的新时代，据调查，93%的居民都会选择在家中养盆栽，在快节奏的生活中，经常出现忘记浇水的情况，同时手动浇水没有定量，过量同样有碍于生长。大部分植物都需要每天按时给它们浇水，如果巧遇较长时间忘记滋润植物，那植物或许就因缺水而枯萎。本文提出基于物联网的家用智能盆栽浇灌器是通过湿度传感器对土壤环境中所含水分状况进行监测， 及时实现自动化供给。

1.系统的架构与功能

1.1基本核心体系架构

感官层：收集土壤湿度并将数据给分析层。

数据分析层：对感官层的数据进行分析并做出处理。

应用实现层：接收到数据分析层的命令并做出相应的动作。

终端层：通过WIFI网络接入，进行远程查看等操作。

基于物联网的家用智能盆栽浇灌器体系结构图如图1。

1.2主要实现的功能

整体结构功能分为三块：

（1）测湿结构：实现测出土壤湿度并上传数据给主控板。

（2）灌溉结构：由湿度数据通过microbit内部代码控制舵机转向，从而使软管转过指定角度对向植物，实现自动浇水功能。

（3）物联网结构：由microbit芯片的OBLOQ模块连接WIFI后上传湿度数据到Mqtt Buddy APP，由手机实时随地查看数据。

2.系统实现原理

基于物联网的家用智能盆栽浇灌器是以物联网DFRobot为基础平台， 由智能主板（microbit芯片）、湿度传感器、OBLOQ模块、Mqtt Buddy APP和舵机组成的控制系统。设备采用电容式湿度传感器，电容式湿度传感器是用大分子聚合物材质的湿敏器件作为敏感电子元件。接通电源模块后，湿度传感器对土壤中的水分含量进行分析，上传土壤湿度数据给microbit芯片，之后由microbit芯片运行MakeCode软件中已编好的代码控制舵机的定向转动，使软管对向盆栽，蓄水池内部水流出，从而实现自动浇水，microbit芯片通过基于ESP8266设计的串口转WIFI物联网OBLOQ模块在连入WIFI的环境下上传数据到终端，随时查看数据，实现物联网功能。系统实现结构图如图2。

3.硬件设计

3.1主控板microbit芯片

microbit芯片不仅是整个系统硬件设计的中心，也是软件和网络结构的中心，承担着数据接收、分析、发送与处理的功能，上联网关和终端， 下与各节点连接。主控板接收湿度传感器发来的湿度数据时，则会根据算法分析数据从而调度控制舵机;并且接收湿度数据时，则会将数据转发到OBLOQ模块（物联网模块），通过该模块打包数据发送给终端。microbit芯片的数据传送主要分为两种情况：一是数据传送到主控板;二是数据从主控板发出。

3.2其他硬件

其他硬件包括MicroMate、湿度传感器和舵机。MicroMate是一款为microbit芯片所设计的微型多功能I/O传感器拓展板，拓展板配置了3V-5V的电压转换功能，能驱动小于5V 2A的元件;湿度传感器的表面是高分子湿敏元件薄膜，用于采集土壤湿度数据;舵机采用SG90微型舵机，接收到转向指令后根据指令定向转动。并且各节点电路具有统一性，湿度传感器支持3.3-5.5V宽电压工作环境;舵机的工作电压为4.8V;而microbit芯片支持3-5V电压。

4.软件设计

4.1程序

需要用到MakeCode软件，而microbit芯片全然支持MakeCode软件。程序代码采用简单、易学的Python语言进行编写，使得程序可读性极高、扩展性强、运行效率提升，提高了系统的相应效率，缩短时间。

编程步骤分为：

（1）数学建模。根据植物的需水量和湿度阈值来设定每次浇水的标准值。

（2）确定数据结构和算法。分为三个类：接收传感器数据、根据传来的数据与设定好的标准值比较后在低于閾值时调用舵机完成浇水、初始化物联网模块并打包湿度数据发送给终端设备。

（3）编写代码解决问题。将代码烧入microbit芯片。

4.2物联网模块

OBLOQ是一款基于ESP8266设计的串口转WIFI物联网模块，用以接调控已有的物联网数据，适用于3V～5V的Microbit芯片。Microbit芯片读取湿度传感器上传的数据交给物联网模块，OBLOQ模块利用OBLOQ串口转WIFI物联网模块搭配DFRobot的物联网平台发送湿度数据到终端设备。

4.3 Mqtt Buddy APP

这款软件基于消息队列遥测传输协议即MQTT，允许用户控制IOT设备、管理传感器。使用DFRobot的公共物联网平台，设置里NAME：ADDRESS填写iot.dfrobot.com.cn：1883，之后添加湿度传感器按钮即可。

5.结束语

针对传统植物浇水存在的问题进行了分析，并对问题存在根源提出了基于物联网的家用智能盆栽浇灌器的设计，该项目的设计初衷是为解决浇水用量规格化和不能按时浇水的情况，此次舍此综合考虑了生活的现状和实验器材的限制，融合了万物互联的思想，将智能化带入生活的细节。

作者简介：王正阳（1999-），男，安徽人，本科在校生。

基金项目：2018年安徽省大学生创新创业项目：基于物联网的家用智能盆栽浇灌器（编号201810379108）。