基于物联网技术的智能盆栽管理系统的研究与设计
摘要基于传感技术和无线通信技术，实现对盆栽植物相关数据的精准实时采集和数据的无线传输。系统采用模块化设计思想，利用传感器对盆栽植物的温湿度和光照强度等数据进行现场采集，利用无线通信技术和手机终端完成检测数据的实时处理，通过wifi模块进行过程的远程监控，从而实现智能盆栽管理系统数据采集的精准化和过程控制的智能化，整个系统具有结构简单、性能稳定、成本低廉等特点，在现代农业领域具有良好的推广价值和广泛的应用前景。
随着生活水平的日益提高，人们对于生活品质的追求也越来越高。为缓解紧张工作带来的压力、改善居住环境，盆栽植物受到了人们的日益青睐。目前，盆栽植物不仅进入家庭，作为商机，各类种植、培育盆栽植物的公司企业不断涌现，并且栽培规模也越来越大，因此及时了解、掌握影响栽培植物的温度、湿度和光照对盆栽植物的生长、管理显得尤为重要［1］。
但是由于生活节奏的加快，人们大都忙于工作和学习，没有过多的时间和精力关注自己的盆栽植物，多数市民也缺乏盆栽植物管理的必需知识和经验，造成所栽植物的枯萎甚至死亡;而盆栽植物企业为掌握栽培植物的生长参数大多采用现场人工测量的方式，这不仅工作量大，而且成本也偏高，因此盆栽植物的智能控制和自动化管理对于盆栽植物生产是大势所趋。物联网技术和无线传感技术的飞速发展使得盆栽植物的自动化管理成为可能，也为其智能化控制提供支撑［2］。
笔者以STC89c52为核心，利用传感技术实现对影响盆栽植物生长的温度、湿度和光照强度等参数进行现场采集，利用无线通信技术进行数据传输，通过手机进行综合处理对盆栽植物进行日常护理，利用wifi模块实现管理的远程控制，以最快的速度获得准确数据，轻松、及时掌握盆栽植物的生长态势，旨在科学有效地对盆栽植物实施管理，全面提高盆栽植物的品质［3］。
1系统结构
系统硬件采用模块化设计，主要有电源模块、智能控制模块、交互模块、补光模块、传感器检测模块、自动喷洒模块，无线wifi模块等几部分构成。其中处理器控制模块主要以ArduinoUNO和STC89C52单片机为核心，负责盆栽植物的现场参数采集和植物叶面的保湿与补光控制;数据检测模块主要是实现植物温湿度和光照的现场采集，对所采集信号进行预处理并传送至Arduino，通过wifi模块发送到手机客户端进行实时监控;补光控制模块主要采用PWM恒流驱动电路，实现植物的定量、精准补光;利用无线wifi模块和用户交互模块通过微信和手机APP实现对室内温湿度和光照的远程监控［4－5］。其总体结构如图1所示。
2数据采集模块的硬件设计
2．1数据采集电路的设计
影响盆栽植物生长的因素主要是温湿度和光照，系统选用DHT11数字式温湿度传感器和标准调理电路作为测量单元，采集的数字信号经过预处理后送至ArduinoUNO的PC0引脚，并由ArduinoUNO内部的ATmega328处理器进行数据的现场处理。对于光照强度选用BH1750FVI数字式传感器作为检测元件，该传感器可以进行1lx的高精度测定，芯片内部包含了通信电平转换，可以直接和处理器的I/O端口连接，采集的光照参数经过预处理后送至ArduinoUNO的PC1引脚，同样由ATmega328处理器进行数据的现场处理。采集的温湿度与光照信号经过ESP8285无线wifi控制模块传送到手机微信客户端进行远程的监控［6］，其采集和控制原理如图2所示。
2．2过程控制电路设计
过程控制主要依据手机接收到的采集温湿度和光照信号，利用手机APP远程对盆栽植物进行温度调节和补水操作，其原理电路如图3所示［7］。由ESP8266实现与手机APP的双向通信，接受手机的控制命令并传至C52的P3．0和P3．1端，通过简单处理后由对应端口输出控制信号控制驱动电路，进而实现温度的升降和湿度的调节［8］。
2．3通信模块的设计
系统的数据传输与通信采用基于串行无线网络的wifi模块，其中ESP8285无线wifi控制模块的ＲXD接Arduino的PD1(TXD)脚，TXD接Arduino的PD0(ＲXD)脚，实现微信端的温湿度的实时监控;ESP8266无线wifi控制模块的ＲXD接C52单片机的P3．1(TXD)脚，TXD接C52单片机的P3．0(ＲXD)脚实现现场的温湿度控制和补光操作［9］。
3系统软件的设计
系统软件的设计主要包括无线通信网络的建立、温湿度和关照度等数据的采集、数据的无线传递以及外围设备的控制部分，系统的采集、控制主流程如图4所示［10］。其中数据的现场采集、数据的串行无线传输和控制信号的输出部分的控制流程均是成熟流程，这里不做过多分析介绍。
4系统的测试
为验证所设计系统的功能，选择学校苗圃作为测试场所，以苗圃内部分盆栽植物的温湿度作为远程采集对象，远程采集其温度，测试盆栽植物叶面保湿状况，同时利用手机APP实现对于盆栽植物补光控制，利用Android应用程序，远程微信测得盆栽植物的温湿度实时参数如图5所示，远程APP补光控制如图6所示。经过测试，传感器采集的数据能够准确、可靠地传送到手机终端，无线wifi模块可以对植物补光灯进行精确控制，达到了预期的效果。
物联网技术下盆栽植物管理系统主要是利用目前广为使用的无线通信技术所特有的通信优势，结合传感技术实现对盆栽植物现场数据的采集、传输与控制。系统具有数据采集实时、数据传输可靠以及数据传输距离较远等特点。结合组网技术解决规模栽培企业的传统有线监测系统存在的缺陷和不足，推动传统栽培的智能型、精细型转变，具有广阔的应用前景。
