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摘要：随着人民生活水平的提高，花卉种植成为修心养性的极佳选择，但经常会出现疏于管理导致花卉不良甚至死亡的情况。本文针对这一问题，设计了一种基于STM32单片机的室内花卉“智能管家系统”。该系统利用单片机的可编程控制功能，结合外围传感器电路设计，实现自动监测土壤湿度、环境光照强度及有害气体，并通过输出装置实现自动浇灌、光照强度自动调节以及有害气体的自动报警等功能，为花卉绿植提供适宜的生长环境。该系统模块化程度高，硬件成本低，实现了对室内的花卉绿植进行实时监测管理的自动化。

关键词：STM32单片机 花卉绿植 传感器电路 模块化管理

引言

随着社会经济的发展，目前在大型商场，图书馆等场所一般都有大量花卉绿植，在个人家庭中，花卉绿植的身影更是数不胜数。对于这些花卉绿植的管理一般都需要人工进行，由于室内中种植的花卉一般需要稳定的生长环境和精心的照料，仅仅凭借人工方式进行管理，往往只能依靠个人经验和主观判断[1]。而且近几年由于疫情的影响，经常出现不能及时的对这些花卉绿植进行养护的情况，导致这些花卉绿植没有稳定的生长环境，有可能导致这些花卉出现不良状况，影响其正常生长发育，甚至导致其死亡。

目前在市场上有很多对花卉进行自动浇灌的装置，但这些装置大部分不能满足对花卉对土壤湿度的精确需求，而且不能对花卉进行系统化的、模块化的管理养护[1]。也有一些智能化程度比较高的的自动化装置，但其造价较高，占地面积大，不适合小规模种植花卉绿植的场所。本文针对这些问题进行了基于STM32单片机的室内花卉“智能管家系统”的设计。

1、总体设计

室内花卉绿植的生长需要较为稳定的生长环境，主要包括适宜的温度，一定的土壤湿度，合适的光照强度以及空气质量。本系统以STM32单片机为主控，通过对外围传感器电路的控制实现对花卉生长所需因素的各种数值的实时采集，对数据进行系统化可编程处理，从而控制外围执行机构动作。实现对花卉生长所需环境因素的自动控制，创造出一个适宜室内花卉绿植生长的环境，不仅省时省力，而且造价较低，操作方便。整个系统的结构运行如图1所示：

土壤湿度的控制。土壤湿度传感器由单片机的定时器控制，每隔一段时间采集一次数据，数据由单片机处理后与设定值进行对比后，输出相应的高低电平到设定的IO口，令执行机构动作。若土壤湿度低于设定值，则启动自动浇灌，直到达到预设的湿度数值范围；若土壤湿度高于设定值，则点亮日光灯，在适当增加光照强度的同时，也提高了花卉周边的温度，进而促进花卉的蒸腾作用，加速对水分的吸收利用。

光照强度的控制。当白天光照强度没有处于设定范围时，外围执行机构的日光灯与排风扇动作，始终维持花卉绿植所需的合适的光照强度。温度的控制，单片机控制硅橡胶加热片与排风扇来调节花卉生长环境的温度值。对空气质量的控制，当有害气体传感器检测到相关有害气体时会发出声光提示提醒用户采取相应措施并且打开排风扇净化空气，达到要求后排风扇自动关闭。

手机客户端实时显示最新采集到的环境参数，用户可以通过客户端设置各传感器的参数阈值，通过手机客户端，经WiFi模块发送给STM32主控平台。

2、系统硬件设计简介

图2为系统的原理设计图：

系统由STM32单片机作为主控，与外围传感器进行数据传输，控制执行机构执行相应操作。外围传感器包括温度传感器，土壤湿度传感器，光强传感器，有害气体传感器，传感器作为数据的采集端，对其灵敏度和稳定性有较高的要求。执行机构由浇灌系统及其外围电路，日光灯与排风扇电路，硅胶加热片电路和报警电路组成，系统运作时，各个电路及其传感器独立工作，只由单片机主控单独控制。

2.1 温度传感器模块及控制电路

系统的对温度的测量选用DS18B20数字式传感器，该传感器采用单总线的接口方式，仅使用一条口线就可与STM32单片机进行双向通信。DS18B20具有价格低，抗干扰能力强，精度高的特点，是一种常用的数字温度传感器。其独特的单总线特点可以使传感器网络被快速地组建，使多点测温变得更加便捷、有效[2]。而且其测量温度范围宽，测量精度高，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C，适合对环境温度的测量。自身体积较小，不仅节约空间，而且经济适用。

2.2 土壤湿度传感器模块

电容式土壤湿度传感器电路原理如图3所示：

系统对土壤湿度的测量选用电容式土壤湿度传感器，该传感器区别于市场上其他的电阻式湿度传感器，其利用电容感应原理来检测土壤湿度，避免了电阻式传感器极易被腐蚀的问题，极大地延长了它的工作寿命[3]。传感器内置稳压芯片，支持3.3～5.5V宽电压工作环境，可通过数模转换直接与STM32单片机连接。且经济适用，体积较小，满足本系统对土壤湿度检测的基本要求。

2.3 光强传感器模块及控制电路

光强传感器选用了TSL2561型光强传感器，该传感器具有跨越大部分可见光谱的平坦的响应，识别能力强，具有接近人眼的响应，其光强度测量范围为1-70000Lx[4]。可通过软件设置相应光强度阈值，当实际光强度超出或低于设定的光强度值时，会给出相应中断信号[4]。它可以直接将光强转换成数字信号输出，具有I2C接口或者SMBus接口，省略了A/D转换的步骤，简化了程序的算法结构。而且体积较小，价格经济，适用于本系统对光强的检测。

2.4 有害气体传感器模块

有害气体传感器选用了MQ135型气体传感器，当传感器所处环境中存在有害气体时，传感器的电导率随空气中有害气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的模拟输出信号。对花卉绿植影响较大的有害气体主要包括氨气，二氧化硫和含碳烟雾等，而MQ135型传感器对氨气、含硫气体、苯系蒸汽的灵敏度较高，对烟雾和其他有害气体的监测也很理想。它具有长期的使用寿命和可靠的稳定性，不仅体积较小，而且经济适用，完全满足本系统对有害气体监测的要求。

2.5 远程控制WiFi模块

远距离控制选用ESP8266 WiFi模块，ESP8266系列模组是安信可公司采用乐鑫ESP8266芯片开发的一系列WiFi模组模块，硬件接口丰富，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等，非常适合做小量数据的无线传输[5]。

3、系统软件设计简介

本系统选用灵活性和简洁度较高的Ｃ语言作为编程语言，软件程序利用Keil uVision5对各个模块进行开发设计。系统程序的开发，采用了模块化设计方法，该方法结构性较强，便于后续对程序的测试与修改。

对于各个模块数据参数的初始化设置，如单片机接收各传感器数据后进行范围比对的参数值，报警电路报警所需的阈值等，这些参数并不是一成不变的，内部程序初始化参数需要不定期进行修改。为了方便使用，本系统使用WIFI模块与手机客户端建立相应的通信，使两者在联网的状态下可进行数据传输，手机客户端能对内部参数进行可视化操作和修改。主程序流程如图4所示：

4、总结

本文设计了一种应用于室内的花卉绿植的“智能管家系统”，基本完成了对花卉绿植智能化管理的设计方案。不仅可实时做到对室内花卉绿植环境因素的检测，且实现了对花卉绿植智能化管理，省时省力。系统的模块化程度高、成本较低，操作方便简单，不仅适合于家庭、办公室等场所，还适合图书馆、商场等大型场所，为当前社会我们的快节奏生活提供了便利。系统也可推广应用于农业，对系统进行改进后可以应用于农业的自动灌溉装置与农田信息的环境参数采集装置，具有良好的市场前景。

经过对系统的初步测试，发现系统在一般情况下都能能给与花卉绿植良好的生长环境，各种参数的调试均满足要求。但当系统处于极端条件时，对环境参数的调节有限，可能达不到预定值。如：当光照强度超过20000勒克斯（lux）时，排风扇对花卉绿植光呼吸的调节作用将变得很弱，只能通过报警信号提醒，引入人为干预。

本设计方案基本完成了需要的基础功能，但是还有以下几个方面的不足与需要完善的地方：

（1）系统的各个模块的电路设计没有集成在一起，在使用过程中会出现一些不方便的地方，而且会导致系统外围电路的设计不太美观。

（2）为了节约空间，减小系统的体积，自动浇灌系统靠近线路，如果操作不当，会导致系统出现短路故障。

（3）手机客户端的设计较为简单，目前只能用于修改系统的初始化参数，对于更多功能的实现还有待探究。

参考文献

[1]周颖，贾澄军，俞吉.基于AT89S52单片机的花卉自动浇灌系统的设计[J].现代电子技术，2011，34（19）：144-146.DOI：10.16652/j.issn.1004-373x.2011.19.051.

[2]罗小敏，麻淑婉，金长华，张声岚，张玉.基于DS18B20温度传感器测温系统的研究与设计[J].轻工科技，2019，35（01）：50-51+103.

[3]黄金秋，魁艺于，寇耀文，高伊慧，陈堃，刘燕，陈兴文.基于树莓派的智能云灌溉系统设计[J].山西电子技术，2021（03）：19-21.

[4]于耀淞，程宇一.基于ZigBee树状网的农作物大棚温湿光强度监控系统设计[J].舰船电子工程，2017，37（07）：130-133.

[5]刘天成，田学军.基于ESP8266与STM32的智能晾衣杆系统设计[J].山西电子技术，2021（06）：6-10.

基金项目：2021年山东省大学生创业实践训练项目“基于花卉水肥自动供给系统的设计”（项目编号：S202110452045）

作者简介：耿通（2000-），男，汉族，山东临沂人，临沂大学本科在读，研究方向：电气工程及其自动化