基于物联网的智能盆栽养植系统的设计与实现

Design and implementation of intelligent potted plant management system based on Internet of Things

摘要

目的 针对名贵盆栽难养植的问题，设计了一种能远程监控的智能盆栽养植柜。 方法 基于Keil环境开发了嵌入式控制系统，汇集了无线通讯和实时监控装置，在阿里云服务器创建IP地址，建立数据中心，设置云端中间件，开发了B/S版和移动App访问系统，通过温湿度控制装置、光照强度控制装置、浇水控制装置、实时监控装置实现养植柜自动养植和盆栽生长状况的智能监控。 结果 以茉莉花为试验对象，智能养植柜将温度偏差控制在±0.5 ℃范围内，空气湿度偏差控制在±1.5%范围内 ，光照强度偏差控制在±23 lx范围内，土壤湿度偏差控制在±4.1% 范围内，在此条件下，养殖柜中茉莉花花期延长了4~5 d。 结论 养植柜能够按照茉莉花的生长习性进行环境因子的智能调控，系统响应快速，运行稳定，可推广至各类盆栽的智能养植。

Abstract

Objective Aiming at the difficult problem of expensive potted plants，this paper designs an intelligent potted planting cabinet which can be monitored remotely. Method Developed embedded control system based on Keil environment，integrated wireless communication and real-time monitoring device，created IP address in Ali cloud server，established data center，set up cloud middleware，developed B/S version and mobile App access system.Through temperature and humidity control device，light intensity control device，watering control device，real-time monitoring device to realize the automatic planting cabinet and pot growth status of intelligent monitoring. Result Taking the growth and flowering period of jasmine flower as the experimental object to verify the planting effect，the intelligent planting cabinet will control the temperature deviation within ±0.5 ℃，the air humidity deviation within ±1.5% ，the light intensity deviation within ±23 lx，the soil humidity deviation within ±4.1% ，and the flowering period is extended by 4~5 days. Conclusion The plant cabinet can intelligently control the environmental factors according to the growth habit of jasmine，the system responds quickly and runs stably，which can be extended to all kinds of potted intelligent cultivation.

Graphical abstract

关键词

盆栽养植柜 / 物联网 / 用户交互 / 智能养植 / 远程控制

Key words

potted planting cabinet / Internet of Things / user interaction / intelligent cultivation / the remote control

随着人们生活水平的提升，各类名贵盆栽出现在家家户户，但是大多数盆栽生长条件苛刻，受到土壤、阳光、水分、肥料等多种因素影响，单纯依靠人工经验难以把控，另外，由于人们工作繁忙或者出差旅行等，对盆栽疏于照料，导致名贵盆栽长势不好甚至死亡。使用智能养植柜是盆栽健康生长的一种有效方法，其养植特点主要体现在远程实时监测以及各项环境因子智能调控，能够根据各类盆栽不同的生长需求提供其最佳成长条件^［1-3］。

近几年，针对智能养植柜许多研究者提出了多种设计方式，英国学者娜塔莉·金设计了一款会“叫渴”的智能养植盆^［4］，该养植盆使用了微电脑芯片和传感器，具有一定的智能化，但是没有将物联网应用于养植系统；韩国学者郑永宙开发了能够自主移动的智能花盆系统，该花盆具有自动浇水和充电功能，实现了将手机App控制系统用于智能养植^［5］，但是仅局限在小范围的物联网系统；王金鹏设计的基于物联网技术的新型智能花盆控制系统，在微芯片的基础上，加入了蓝牙与GMS短信装置，实现了短距离蓝牙通讯以及远程短信通知的功能^［6］。上述设计都是在微芯片的基础上，加入一些通讯功能和蓝牙功能，实现了环境因子数据采集和远程监控功能，但是难以实现对不同生长期、不同种类盆栽的环境因子和长势等信息的全方位监测及智能养植。为了探索更加智能化、人性化的盆栽养植管理系统，本研究针对盆栽养植，将信息技术、数据技术、养植技术深度整合，开发了一种基于阿里云的智能管理养植柜系统。

1 系统总体构成

为了使盆栽具有更好的观赏性，箱体主要使用亚克力板材质，箱体结构如图1所示。

智能养植监测管理系统主要采用阿里云服务器，应用物联网框架，分为感知层、传递层、支持层和应用层^［7］，如图2所示。各类传感器按照预先设定的频率来收集数据，嵌入式控制模块则主要负责对被感知的信息做有效地处理，由通讯模块发送到云端服务器，在阿里云服务器建立数据中心，设计中间件，实现信息的会集、梳理、储存、显示^［8-11］。

感知层集成了温湿度传感器、土壤湿度传感器、摄像头、步进电机、电磁锁等，通过数据采集和计算就可以实现对养植柜内的环境因子（温度、湿度、光照强度等）信息汇聚^［12］；在传输层，养植柜在阿里云拥有固定的IP地址，嵌入式控制模块通过GPRS向IP地址传输养植柜状态数据，同时接收来自云端的控制命令。在支撑层，阿里云服务器向养植柜智能管理系统提供云服务、云储存以及云数据安全库等服务，达到创立智能养植柜云端数据中心、安装中间件等要求；在应用层，根据不同应用需求，研发面向手机移动App版应用系统，用户可以自由通过手机访问服务器，实时查看盆栽的生长状况^［13-14］。

2 硬件设计

嵌入式控制模块是本设计的核心，它主要负责与温湿度控制装置、光照强度控制装置、浇水控制装置、箱柜门锁控制装置、实时监测装置和GPRS模块之间进行数据交换^［15-16］，如图3所示。

本系统主控芯片采用基于ARM Cortex-M内核的微控制器STM32F103ZET6^［17］，通过串口接收并处理数据。采用的传感器分别为：GY-30光照传感器、FDR型传感器土壤湿度传感器、485型温湿度传感器。GY-30光照传感器是用I2C接口的数字环境光照传感器，内置标准I2C通讯协议，控制器可以直接读取当前光照的数字量，GY30的时钟线SCL与控制器的PA4连接，数据线SDA与控制器的PA5连接。土壤水分传感器和温湿度传感器都采用标准MODBUS_RTU485通讯协议，通过标准485接口与传感器连接，根据协议获取采集的数值。GPRS通讯通过SIM800C模块与控制器进行连接，控制器采集到的传感器信息，通过串口3发送到GPRS通讯模块，然后GPRS模块把数据传输到远端。实时监测功能通过ALIENTEK OV7725摄像模块实现，摄像模块与接口（P6）相连接。本系统的OLED显示屏采用IIC通讯接口，用控制器的PB6与OLED的时钟线SCL连接，控制器的PB7与OLED的数据线SDA连接，通过时序驱动显示屏的显示。雾化器、蠕动泵、风扇、制冷器均为大功率器件，控制器通过控制继电器的开关，从而控制功率器件的运行与关闭，当控制器输出低电平时，继电器被吸合，当控制器输出高电平时，继电器被关断。雾化器控制接口与控制器的IO口PE1连接，蠕动泵控制接口与控制器的IO口PE2连接，风扇控制接口与控制器的IO口PE3连接，制冷器控制接口与控制器的IO口PE4连接。系统总线路图如图4所示。

3 智能养植系统软件设计

3.1 系统构成

系统程序设计主要是本地、远程和云端3个层次的程序设计。本地端程序是基于Keil环境开发，主要完成传感器数据采集与养植柜状态实时显示，根据云端匹配的养植信息控制各装置的运行；远程访问系统为手机移动App，为用户提供用户权限管理、盆栽生长数据显示、远程监测与控制；云端中间件作为连接养植柜与远程访问系统的桥梁，将养植柜的实时状态数据发送至远程数据中心，同时也为用户提供服务，把用户指令传送至养植柜。另外，云端中间件还为养植柜系统提供数据、环境因子与盆栽生长状况双反馈的控制模型与算法的支撑^［18-22］。系统软件主要的功能模块如图5所示。

3.2 数据通讯

本设计通讯模块采用Socket通讯设计程序，将传感器采集到的养植柜状态信息传送到云端进行处理，如图6所示。Socket通讯程序初始化之后，会自动与端口建立连接并启动监听和阻塞，等候与养植柜端口建立连接。在与养植柜端口连接后，养植柜向云端发送具有编码的数据，为降低养植柜系统功耗，只发送更新数据的编码，云端接收到数据后按照规定格式进行解码并更新养植柜信息库以及操作日志，然后把响应信息反馈给养植柜，云端和养植柜端均采用send（）和receive（）完成数据的交互^［23-25］。用户可以通过移动App委派中间件向养植柜发送控制命令，养植柜的嵌入式控制模块接收并执行命令。养植柜在进行启动和关闭命令时，各个元器件依次按照指令运行，在养植柜即将达到一个预设指令的状态时，根据养植柜的运行速度，提前向系统发出暂停指令，以减小系统延迟所带来的误差^［26］。

3.3 智能控制

养植柜内安装有摄像头，可实现自动给盆栽拍照，然后将图像传递到云端，云端服务器根据图像特征自动识别盆栽的种类，制定养植方案，然后系统自动配置养植柜内温湿度、光照强度等环境因子，自动完成养植任务，同时将盆栽生长数据反馈给用户App，供用户辅助决策，养植柜移动App如图7所示。

盆栽放入养植柜时，传感器会检测箱内的环境因子，并将获得的数据反馈给云端，云端自动匹配适合盆栽生长的环境，然后养植柜根据匹配的数据自动调节养植柜内的环境。当温湿度传感器检测到箱体内的湿度高于最佳温度5%时，电路控制装置就会启动排风扇，排出箱体内的水分；当温湿度传感器检测到箱体内的湿度低于最佳温度5%时，电路控制装置就会启动雾化加湿器，向箱体内喷洒水雾；当温湿度传感器检测到箱体内的温度高于最佳温度5 ℃时，电路控制装置就会启动制冷片；当温湿度传感器检测到箱体内温度低于最佳温度5 ℃时，电路控制装置就会启动半导体，对箱体内的环境进行加热。系统根据盆栽的生长需求，自动设置浇水周期，土壤中的湿度传感器实时检测土壤湿度，当土壤湿度低于最佳生长湿度10%时，电路控制装置会自动启动蠕动泵对箱体内的土壤进行浇水，浇水量与正常周期浇水量相同；当土壤湿度高于最佳生长湿度5%以上且需要正常浇水时，系统会控制浇水系统跳过本次浇水工作。同时，用户也可以通过移动App实时查看养植柜运行状态，本地控制软件界面如图8所示。

在系统稳定运行情况下，养植柜的工作流程（图9）如下：

（1） 扫码获取养植柜使用权限；

（2） 监控装置拍照并将照片传至云端，同时养植柜内各传感器开始工作，检测箱内环境；

（3） 根据传递的信息，云端中间计算软件制定养植计划，并向养植柜发送指令，同时用户可使用移动App查看生长实时数据；

（4） 如果识别错误，用户可以手动在移动App上搜索盆栽养植信息，然后与云端接收到的环境因子数据进行匹配，最后重复步骤；

（5） 养植柜系统开始工作。

4 养植试验

按照本研究的设计思路，最终开发出的智能盆栽养植柜如图10所示，为了验证本系统的有效性，使用茉莉花作为试验对象，分别进行养植系统试验和养植效果试验。茉莉以3~6年生苗开花最旺，以后逐年衰老，须及时重剪更新。在春节发芽前可将去年生枝条适当剪短，保留基部10~15 cm，使其生长出粗壮新枝，如果新枝生长很旺，应在生长达10 cm时摘心，促发二次梢，则开花较多。所以茉莉花花苞数量主要取决于枝条数量和枝条生长年限，而枝条数量和生长年限（可由枝条的直径评估）较好控制一致性，因此，本试验选用两盆同一批次扦插的3年花苗，在试验前进行修剪并对10 cm以上枝条进行摘心，保证了枝条数量一致，枝条直径近似一致。

将两盆生长状况、盆栽土壤都相近的茉莉花植株放入养植柜，分别命名为1号植株和2号植株，1号植株对应的养植柜系统正常运转，2号植株对应的养植柜系统设置为关闭状态，即1号植株使用养植柜种植，2号植株正常种植。试验是在茉莉花开花的季节进行，7月份的上海正处于盛夏，阳光比较强烈，而且外面的温度也比较高，所以，为了避免环境的影响，试验在阳光充足的室内进行，室内温度在30 ℃左右，由于试验地点处于沿海地区，因此昼夜温差不大。1号植株是在养植柜中养植，养植柜根据云端数据，自动调整养植柜内的环境因子；2号植株为正常养植，根据人们的习惯，观察土壤的干湿程度以及植株的长势，人为地进行浇水，当盆栽中的土表面干燥的时候对盆栽进行浇水，浇水的水量以花盆下面的小孔是否滴水为依据，当滴水时就停止浇水。

4.1 养植系统试验

启动养植柜进行种植，智能养植柜的传感器每天采集两次数据，8∶00与20∶00各采集一次，为了保证采集数据的准确性和稳定性，数据从放入养植柜的第3天开始采集，采集天数为10 d，采集的数据如表1所示。通过查阅资料可知，茉莉花的最佳生长条件为：生长温度在22~35 ℃，土壤相对湿度在60%左右，环境湿度在70%左右，有充足的光照。由表1的试验数据可知：温湿度传感采集20次的温度平均值为29.755 °C，温度采集偏差控制在±0.08 °C范围内；采集20次的空气湿度平均值为70.225 RH，空气湿度采集偏差控制在±%0.115 RH；采集的20次光照平均值为9 198.3 lx，光照采集偏差控制在±17 lx内；采集的20次土壤湿度平均值为63.315% RH，土壤湿度采集偏差控制在±3.6% RH内。因此，传感器数据采集精度较高，表明本研究设计的养植柜系统具有较好的可靠性与稳定性。

4.2 养植效果试验

本试验选用的是一种单瓣的纯白色茉莉花，该种类茉莉花的花冠为单层，花瓣约有7~11片，呈椭圆形。茉莉花是以花瓣脱落的形式凋谢，当花瓣脱落4~5片时，即可认为该朵花已经脱落。因此在本试验中，通过观察茉莉花花朵脱落的花瓣数来确定该花朵是否脱落。试验时间为15 d，记录两种养植方式下各自的花苞枯萎个数及对应时间，试验数据如表2所示。

由表2中的数据绘制花苞枯萎个数随时间变化规律，如图11所示。试验结果表明：放入养植柜的1号植株有更好的生长环境，相对于2号植株其花朵的盛开时间长，而正常种植的2号植株由于没有更好的生长环境，其花朵开放的时间相对较短，故2号植株比1号植株花朵凋落的快，所以1号植株的花期相对延长，由图11可知智能盆栽系统养植下的茉莉花花期比普通养植方式对应的花期延长4~5 d，而且花苞总个数也多于普通养植下的花苞数，说明养植柜系统所提供的各项环境因子有利于延长花苞盛开时间及增加花苞数量，种植效果明显。

5 结论

1） 本试验设计了一种适用于种植盆栽的物联网智能管理养植柜。利用网络通信技术，在阿里云云架构的基础上进行系统开发，通过云端中间件实现了养植柜与阿里云服务器的双向通讯，并且为用户开发了手机App作为访问端，能够更好地指导用户进行精细化管理，验证了利用新一代信息技术种植盆栽的可行性。

2） 本设计解决了盆栽人为照顾不周的问题。产品通过控制单元实现智能种植，将植物生长所需的基本因素统一结合，提供植物最适宜的生长环境，有效提高盆栽智能种植的存活率。

3） 试验结果表明，本设计开发的智能养植柜系统运行稳定，安全可靠，温度偏差控制在±0.3 ℃范围内，空气湿度偏差控制在±1.2%，光照偏差控制在±17 lx内，土壤湿度偏差控制在±3.6%内，养植柜能够按照茉莉花的生长习性进行环境因子的智能调控，延长花期效果明显，可推广至各类盆栽的智能养植。

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基金资助

国家自然科学基金青年科学基金项目(52005317)