基于Arduino平台的互动式智能盆栽设计

 

摘   要：为实现植物的智能培育，文章设计了一个基于Arduino平台的智能花盆系统。该系统利用传感器、单片机、交互系统等与花盆的结合，对植物的生长状况进行实时监测，并经传输与分析，实行相应反馈措施，实现植物的全天候托管，同时结合智能交互，增加培育过程的趣味性。

 

    随着社会日新月异的发展、生活水平的提升，人们越来越重视生活质量和生活情趣。花卉养殖因具有丰富的观赏价值，能够陶冶情操、给人们的生活增添乐趣，还能净化空气、减少污染，成了许多人的不二选择。 

    

       目前，室内盆栽养殖主要仍是依靠人工经验，且人们常因工作强度大而无暇照顾这些盆栽，因此，智能盆栽应运而生。但现有的智能盆栽功能单一，大多仅具备自动补水功能。  

    

      本文设计了一种基于Arduino。平台的智能盆栽，可对植物的生长状况实时监测，并经传输与分析实行相应反馈措施，实现植物的全天候托管。除此之外，还加入了用户与花盆的交互设计，能够让人和植物进行互动，增加了养殖过程的趣味性。

      

   1 系统结构及功能设计  

      

     该智能盆栽由花盆体、多种传感器(温湿度传感器、光照传感器等)、驱动模块、蓝牙及WiFi通信模块等组成，系统设计如图1所示。光照传感器置于8处，控制模块根据光照情况数据，控制补光灯是否开启对植物进行补光。土壤温度传感器及土壤湿度传感器置于花盆存放土壤的空间内壁上，当土壤湿度小于设定值时，控制模块将控制信号传达给继电器，使继电器闭合，启动水泵进行浇水。 

     

    蓝牙模块作为中介，实现了花盆体与WiFi无线网络的连接，并以此实现与手机APP的通信，从而将传感器上检测到的光照强度、温度、土壤湿度等数据发送到手机APP，便于用户实时掌握植物的生长状态。

    

    另外，手机APP还会分析接收到的数据并给出植物的照料方案，适时对用户进行提醒。花盆体还具有语音交互的功能，通过置于4处的音响，用户可以与其进行简单的对话交流，使得种植过程更加生动、有趣。控制方案结构如图2所示。

    
 

    2硬件模块设计     

    

   1)控制模块:主控板采用Arduino UNO，  ArduinoUNO开发板是一个开源的并具有多个I/O接口的物理开发平台，支持多个操作系统，可作为项目开发的控制核心。

   

    2)温湿度检测模块:采用DS18B20温度传感器采集环境中的温度数据，传感器输出数字信号。采用YL-69湿度传感器采集土壤中的湿度，通过编程设置湿度阂值，若土壤湿度大于阂值，则DO引脚输出0，否则输出1，该输出量作为是否需要浇水的评判依据。  

    

    3)光照检测模块:采用BH1750传感器，通过光度计来测量盆栽周围环境的光照强度，通过计算电压来获取有效数字，直接输出数字信号到Arduino UNOo   

   

   

  4)驱动模块:采用L9110S驱动直流SV水泵，驱动电路利用继电器控制水泵的启停，根据不同的植物种类确定不同阂值，当土壤湿度小于阂值时，控制板控制继电器使水泵启动，对植物进行浇灌，当土壤湿度达到一定程度时，水泵关闭。同时，根据不同植物的需求设定每日所需光照，当光照强度小于阂值时，控制板控制补光灯打开，给植物补充光照，光强足够时，补光灯关闭。   

  

  5)通信模块:采用HCOS蓝牙模块和ESP 8266 WiFi串口模块。先通过蓝牙模块将手机与盆栽进行连接，并通过蓝牙将所需连接的WiFi无线网络(如家庭WiFi或手机热点等)的用户名和密码发送给主控板，主控板再利用ESP 8266 WiFi模块将盆栽连接到指定WiFi无线网络上，服务器将通过无线局域网与花盆进行数据传输。   

  

  6)交互模块:采用LED显示屏和音响，显示屏上显示实时的光照强度、温度、湿度、水槽水量等信息，通过音响实现人与植物的语音互动。

  

  3软件模块设计3.1反馈设计  

  

   在整个花盆的设计过程中，需要在两个方而进行反馈，一个是APP的显示，一个是花盆本身及其显示屏。  

   

   花盆反馈中，用户通过APP选择自己要种植的植物，此时APl叫{孙人数据库中找出该植物所需的最佳光照、湿度等数据。采用IEEE 802.11无线局域网与花盆设备的模块进行通信将数据反馈至花盆，以之为阂值，将传感器模块实时监测的数据与相应阂值进行比较，从而控制水泵及补光设施的开断。

   

   3.2   APP显示  

   

     智慧花盆的配套APP显示基于Android软件开发平台。Android是一套移动设备设计综合平台，且具有开放的体系架构，它丰富的图形系统与多媒体支持为APP的开发提供了很好的拓展性需求[z]。目前的主要功能是查看花盆的传感器检测到的数据信息(环境温度和湿度、土壤湿度以及光照强度)。

     

     3.3交互设计  

     

    本团队采用语音识别进行交互设计，语音交互的过程包括:唤醒一输入一理解一回答/执行。首先，用户通过指定口令对语音识别系统进行唤醒，让系统知道用户是在和它说话。其次，对用户的具体需求进行识别并执行。

    

 

    在这个过程中的关键在于语音识别、逻辑理解以及反馈输出。语音识别就是机器将用户输入的语音转化为文字的过程，逻辑理解就是机器对于已识别的语音要求进行理解，在这个过程中机器需要一个训练库，通过已知信息与训练库中进行比对确定用户的真实需求。最后，通过不同需求进行反馈，包括生成语音输出或指定操作的执行等[[3]。

    

    4结语 

    

    该智能花盆而向生活忙碌的上班族人群，运用单片机控制花卉生长所需的水分、光照等，用户可以通过APP在任何地方查看花卉盆栽的实时情况，防比因用户出差或者粗心大意导致的植物受损甚至死亡，实现植物的全天候托管，符合现代快速的生活节奏以及家庭智能化普及的趋势。语音交互实现盆栽的“智能化”，通过与植物(花盆)的交互增加培育过程的趣味性。