基于STM32F107的智能种植系统的设计

引 言

随着我国社会经济的迅速发展与城镇化加剧，室内种植绿色植物，净化空气质量已逐渐成为主流的生活习惯。根据数据调查表明，到 2015 年末，城镇人口占总人口比重达到 56.1%，有种植室内植物意愿的家庭主妇、退休老人以及愿意尝试追求新事物的年轻人，占城镇化人口的 9.8%，约为8000 万人。雾霾出现的频次和问题加剧，因此空气逐渐成为影响生活质量的重要指标，人们对室内环境的质量要求越来越高。而基于以上问题，本文设计了智能种植装置，该装置集智能种植、社交功能、专业服务于一身，可为各类城市用户的多样化需求提供相应服务，净化室内空气，增加室内种植的趣味性和娱乐性。该装置以STM32F107 为主控芯片，利用CC2530搭建无线传感网，通过手机安卓界面实现对植物温湿度、光照强度、施水施肥的控制。智能种植装置的专家系统则根据用户种植的植物，为用户提供专业的种植方案，根据植物的生长情况实现好友排名，增加人机互动的趣味性。用户通过点触手机，即可实现对植物的智能控制，并根据用户需求定制相应的种植方案。该系统不仅能够使忙碌的都市人利用碎片时间实现植物管理，增添生活乐趣，还能根据用户的种植喜好为用户建立社群，为其提供有趣、便捷的社交平台。

1 智能种植系统的硬件设计

智能种植系统的硬件结构如图 1 所示。智能种植装置的硬件结构主要分为传感器系统、控制系统、电源系统、主控芯片、服务器以及个人手机和 PC 端。智能装置工作的原理传感器系统采集植物的生长及环境信息，通过CC2530 将信息传输至主控芯片STM32F107，STM32F107 将接收到的数据与数据库中的相应数据进行对比，以判断植物的生长情况，并将结果传输至服务器或云端，用户可利用手机和电脑登录服务器或云端实时查询植物的生长情况，也可以利用手机通过服务器、主控芯片、CC2530、控制系统实现植物的施水、施肥、调节光照和温湿度等。系统将采集到的植物生物或环境信息通过由CC2530 和传感器搭建的无线网络传送到主控芯片，主控芯片通过数据平台控制系统负责对采集到的数据进行存储、信息处理和信息命令的下达，为用户提供分析和决策以及社交依据，用户随时随地通过手机和电脑进行实时查询和控制。

1.1 传感器系统

智能种植装置的传感器系统包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器等。各传感器采集不同的数据，便于用户实时监测植物的生长情况，保障植物健康生长。各传感器和CC2530 相互组网，构成无线传感网。

温度传感器采用 DS18B20， 具有体积小， 硬件开销低，抗干扰能力强，精度高等特点。智能种植装置主要通过DS18B20 采集种植植物生长环境的温度，并将采集到的温度AD 值通过CC2530 传输至主控芯片。

湿度传感器模块采用土壤湿度传感器模块，该模块的数字量输出引脚可以与单片机直接相连，通过单片机检测高低电平，由此检测土壤湿度。小板模拟量输出引脚可以和 AD 模块相连，通过AD 转换获得土壤湿度更精确的数值。智能种植装置主要通过湿度采集种植植物生长土壤的湿度，并将采集到的湿度AD 值通过CC2530 传输至主控芯片。

光照传感器具有I2C 总线接口（f/s 模式支持），光谱范围与人眼相近，照度数字转换器，50 Hz/60 Hz 光噪声，光源的依赖性不大，可调光学窗口测量结果的影响，小测变异（+/ － 20%），红外线影响较小。智能种植装置主要通过光照传感器采集种植植物生长环境的光照度，并将采集到的光照度AD 值通过CC2530 传输至主控芯片。

二氧化碳传感器具有以下特点：具有信号输出指示、双路信号输出（模拟量输出及 TTL 电平输出）、TTL 输出有效信号为低电平、模拟量输出 30 ～50 mV 电压，浓度越高则电压越高，对二氧化碳具有很高的灵敏度和良好的选择性及较长的使用寿命和可靠的稳定性、快速的响应恢复特性。智能种植装置主要通过二氧化碳传感器采集种植植物生长期间二氧化碳的吞吐量，并将采集到的二氧化碳AD 值通过 CC2530 传输至主控芯片。二氧化碳的吞吐量是判断植物生长健康的重要依据，因此二氧化碳传感器也是实现植物生长好友排名的重要传感器。

1.2 控制系统

智能种植装置的控制结构如图 2 所示。控制系统包括温度调节系统，湿度调节系统，施水施肥系统与光照调节系统。控制系统连接传感器和智能装置。主控芯片接收手机或PC 端传送过来的信号，控制系统的实现主要利用控制节点、继电器扩展模块和相应的机电执行器，通过继电器实现水肥、温湿度的调节。当植物缺水时，湿度传感器采集植物生长环境的湿度AD值，通过无线传感网传送至主控芯片，主控芯片将AD 值与专家系统中的数据库湿度AD 值进行对比，若判断湿度不足，则通过无线传感网驱动继电器施水。其他传感器类似。

1.3 主控模块

主控模块采用STM32F107 芯片，该芯片的标准外设包括10 个定时器、两个 12 位 1 M sample/s AD（模数转换器，快速交替模式下为 2 M sample/s）、两个 12 位DA（数模转换器）、两个I2C 接口、五个 USART 接口，三个 SPI 端口和高质量数字音频接口I2S。此外，STM32F107 还拥有全速 USB（OTG） 接口，两路 CAN2.0B 接口及以太网 10/100 MAC 模块。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品的需求。

基于STM32F107上述特点，本装置采用STM32F107作为主控芯片，负责处理 CC2530传输的数据，并将无线传感网的数据与专家系统中的标准值进行对比判断，做相应处理，之后将处理好的数据上传至服务器或云端。主控芯片通过数据平台控制系统负责对采集到的数据进行存储、信息处理和信息命令的下达，为用户提供分析和决策以及社交依据，用户随时随地通过手机和电脑进行实时查询和控制。

1.4 用户控制模块

用户控制模块主要采用手机或电脑实现，用户通过手机登录服务器查询或修改服务器或云端的数据，达到控制智能种植装置的目的， 具体使用ZigBee 协议，TC/IP 协议以及Socket 通信等实现。

2 智能种植系统的软件设计

智能种植系统的软件设计如图 3 所示。智能种植装置的软件部分主要通过传感器采集数据，经过 CC2530 传输，使STM32F107 接收到数据并与标准数据对比后，判断植物环境指标是否符合健康标准，根据具体情况做相应处理。如采集光照，将现有光照值与光照健康标准库对比，如果现有值比库中值强则减少光照；反之，增加光照。

该系统的软件流程如图 4 所示。其中AD 采样值包括温湿度AD 值、光照AD 值、CO2 的AD 值 ；标准健康数据库的值包括温湿度标准值、光照标准值、CO2 标准值等。当系统接收到AD 值时，与健康标准数据中的值进行对比，若高于标准值则发送减少指令，若低于标准值则发送增加指令。

3 结 语

本设计通过手机实现了集社交、种植方案、自动种植为一身的智能种植装置。该装置以STM32F107 为主控芯片，利用手机安卓界面实现对植物温湿度、光照强度、施水施肥的控制。专家系统根据用户种植的植物，为用户提供专业的种植方案，根据植物的生长情况实现社交。在增加种植趣味性的同时净化了室内环境。