CN103760800A

CN103760800A - 植物生长环境监控装置

Info

Publication number: CN103760800A
Application number: CN201410020205.6A
Authority: CN
Inventors: 高杨; 李君儒; 刘先勇; 赵创; 李勇; 何婉婧
Original assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Current assignee: Institute of Electronic Engineering of CAEP
Priority date: 2014-03-07
Filing date: 2014-03-07
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明提供了一种植物生长环境监控装置，本发明的装置包括塑料外壳、温度传感器模块、湿度传感器模块、光敏传感器模块、按键选择模块、微型水泵及内置水箱、大功率LED灯、液晶显示模块、微处理器、GSM通信模块、稳压电源模块、语音模块。各个模块与微处理器的IO口相连接。微处理器将信号采集模块采集的数据与按键选择模块键入的数据进行对比，判断出植物当前所处的环境是否满足生长需求，并通过液晶显示模块和语音模块将结果进行输出。本发明的装置通过GSM通信模块与智能手机相连接，并用基于Android操作系统的APP程序实现远程实时监控，通过控制大功率LED灯和微型水泵为植物加光、浇水。具有实用性强、操作简单的优点。

Description

植物生长环境监控装置

技术领域

本发明涉及到的是智能农业装置技术领域，具体涉及到一种基植物生长环境监控装置。

背景技术

在二十一世纪后互联网时代，即以传感器为基本节点的网络时代已经到来。在办公室、家庭等场合，盆栽花卉已经相当普及，但不同品种的花卉需要不同的种植技术和生长条件，这些不是每个人都能熟练掌握的事情，更由于人们经常出差，使得很难及时了解自己种植的花草的生长状况，对这些植物也很难做到远程管理，因此，这样一款能够远程监控的智能花盆能够满足这些要求。

中国专利中涉及智能花盆的已有不少，但大多功能单一，有的只有对植物生长环境的监控，有的只是在花盆结构上做该进。很难做到远程监控。例如，201020223523.X号专利“智能花盆”。该专利叙述的智能花盆，花盆体采用蝶形片结构，内部装有带毛细出水孔的环形存水管，具有浇水功能。并增加了搅拌装置，通过微型电机带动搅拌装置对花盆内的土壤进行搅拌。但该专利并没有应用传感器对环境数据进行采集，也不含有通信模块实现数据的远程传输等，由于不含传感器所以已有的浇水搅拌功能也不能实现根据需要自动浇水和自能搅拌，智能化程度不高。20110169638.4号专利“一种智能花盆”，由花盆主体、湿度传感器、太阳能电池板、电源转换装置、主控系统、浇灌控制器、电动水泵和盛水装置组成，该专利实现了一种通过湿度传感器自动检测花盆土壤的湿度情况，并根据检测的结果自动控制水泵给植物浇水的装置，并采用太阳能供电，具有环保节能的特点。但太阳能供电有个缺陷就是受到阳光的限制，其次，该装置只实现了对湿度的检测及浇水控制，对于众多的环境变量对植物的影响，这是远远不够的，对于不同植物用相同的浇水控制也是不科学的。最主要缺点是没有和手机建立通信连接，无法做到对花盆内植物的远程监控。也不具有实时显示和语音播报功能，用户不能实时对植物的生长环境进行监控。整个花盆由于用到了一些机电系统成本也相应较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种植物生长环境监控装置用于自动监控植物生长环境，温度、湿度、光照强度等等可以通过在植物生长环境监控装置上的液晶显示器上显示出来，并进行相应的语音播报，也可以通过GSM通信模块将所测得的数据发送到用户的手机上，在智能手机的基于Android操作系统的APP程序上显示出来。用户通过该装置可以做到根据所养植物的个体特性，键入该植物在不同生长阶段对环境指标的不同参数值。用户即可通过基于Android操作系统的APP程序远程实时监控植物生长的环境状况，并实现远程浇水与加光。

为解决上述技术问题，本发明的植物生长环境监控装置采用的技术方案是：该装置由塑料外壳、温度传感器模块、湿度传感器模块、光敏传感器模块、按键选择模块、微型水泵及内置水箱、大功率LED灯、液晶显示模块、微处理器、GSM通信模块、稳压电源模块、语音模块组成。在智能手机上我们根据该监控装置专门开发了基于Android操作系统的APP程序，智能手机与远程植物监控装置之间通过GSM通信模块完成通信。

为了能够保证整个系统处理数据能力以及实现远程精确控制，本发明的植物生长环境监控装置具有微处理器。微处理器芯片采用了STC公司生产的STC12C5A60S，供电单元采用5V直流电源供电。其用于处理各个传感器采集的数据，将数据与用户键入的标准值作对比，并送液晶显示。控制植物监控装置与智能手机之间的通信。此外，执行植物监控装置的控制程序。

为了比较简单又相对准确的实时采集到各种环境参数，本发明的植物生长环境监控装置的温度传感器模块、湿度传感器模块、光敏传感器模块分别用于采集植物监控装置所处环境的温度、花盆内土壤的湿度和土壤温度、植物所接受的光线强度。其中，温度传感器模块中的温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20,它与光敏传感器模块中的光敏电阻均放置在植物监控装置的外部，而湿度传感器模块中的湿度传感器采用了广州奥松电子有限公司生产的DHT11，放置在植物监控装置内的土壤中。以便于实现信号的准确采集。

为了让用户直观地看到当前的环境参数是否满足植物生长，本发明的植物生长环境监控装置的外壳上使用LCD12864进行显示，显示方式为：从上到下分别为环境温度，环境光照强度，土壤温度，土壤湿度。

为了完成控制浇水这一动作，本发明的植物生长环境监控装置将含有微型水泵的内置水箱固定于包装外壳内壁，通过塑料软管将水送至土壤，塑料软管缠绕内壁一圈，将软管上方扎孔，水由此喷出。此外，用PWM波控制微型水泵，改变其电流大小使之能在受控情况下均匀地往该装置内土壤洒水。

为了完成控制增加光照这一动作，本发明的植物生长环境监控装置的8个大功率LED灯，均匀安置在植物监控装置边缘8个不同的位置，使植物在缺光时能充分接受光线的照射，同时，也可作为一种灯饰起到美观的效果。对于大功率LED灯的控制同样采用PWM波控制电流大小的形式进行精确控制。

为了实现远程监护与控制，本发明的植物生长环境监控装置的GSM通信模块将该装置和智能手机连接起来，微处理器既可以通过GSM通信模块将各个传感模块采集到的数据发送到智能手机并以基于Android操作系统的APP程序进行监控，智能手机也可以通过GSM通信模块将控制命令发送至微处理器。

为了减少在测试过程中需要接入多种输出电压等级电源的麻烦，本发明的植物生长环境监控装置的电源模块由外部电压源供电，采用稳压电路实现一种电压等级输入-多种电压等级输出的功能，为电路板中不同的电路模块或芯片提供多个电压等级的直流电压供电。

为了方便用户能够一体化监护与控制，本发明的植物生长环境监控装置采用智能手机接受GSM通信模块发过来的短信，提取信息后在基于Android操作系统的APP程序上用直观的图形进行显示。通过触发相关的控件后，发送约定的短信给微处理器，实现实时控制植物生长环境监控装置中大功率LED灯给植物增加光照、以及控制微型水泵给植物浇水。

为提高养花的乐趣，本发明的植物生长环境监控装置还加入了语音模块，根据当前环境参数值与用户键入的标准值作对比，其结果可以判断植物当前是否缺水、缺光、高温等，并进行相应的语音播报。

附图说明

图1为本发明的外形示意图；

图2为本发明的系统框图；

图3 为本发明的信号采集模块电路图；

图4 为本发明的显示模块电路图；

图5 为本发明的控制模块电路图；

图6 为本发明的通信模块结构框图；

图7 为本发明的稳压电源模块结构框图；

图8 为本发明的语音模块结构框图；

图9为本发明的系统整体流程图；

图10 为本发明的温度采集流程图；

图11 为本发明的湿度采集与微型水泵控制流程图；

图12 为本发明的语音控制流程图；

图13为本发明的光线采集与光照控制流程图；

图14为本发明的基于Android操作系统的APP程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

如图1所示，为本发明的外形示意图，通过智能手机8对植物生长环境进行远程监控。植物生长环境监控装置外观包括一个包装外壳3，镶嵌在外壳上的液晶显示器1及按键选择模块2，外壳顶部四个角及四条边上的大功率LED灯5，内壳6 ,围绕内壳上沿一圈并扎有很多小孔的塑料软管7、从外壳引出的电源线4。

如图2所示，为本发明的系统框图，植物生长环境监控装置中，温度传感模块10、湿度传感模块11、光敏传感模块12共同完成对植物生长环境数据的采集并交给微处理器15进行处理。微处理器15根据用户通过按键选择模块2键入的标准值与各个传感器模块采集到的数据进行对比，从而判断出当前的环境是否满足植物的生长，并将采集到的环境数据用液晶显示模块1进行显示。当植物生长环境不满足其生长需要时，通过GSM通信模块9发短信到对应的智能手机8，用户通过我们开发的基于Android操作系统的APP程序，可以简单地完成增加光照和水分的控制。当微处理器15接到“加光”控制命令，就根据需要调节大功率LED灯5，为植物增加光照强度。当微处理器15接到“浇水”控制命令，就打开微型水泵13，将内置水箱14的水抽出通过扎有很多小孔的塑料软管7为植物浇水。稳压电源模块16为该系统其他各个模块提供恒定的稳压电源。

如图3所示，为本发明的信号采集模块18电路图，对于环境温度的采集，采用美国DALLAS公司生产的DS18B20单线数字温度计，直接与STC公司生产的单片机STC12C5A60S2的P3.2口单线相连，信息通过单线接口从DS18B20送出。DSl8B20中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存储器RAM编号为0号和1号，1号存储器存放温度值的符号如果温度为负（℃）则1号存储器8位全为1否则全为0，0号存储器用于存放温度值的补码LSB（最低位）的1表示0.5将存储器中的二进制数求补，再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值。在DS18B20的供电方式上，采用外部电源供电虽然多用一根导线但测量速度较快。也可以采用数据总线供电方式，虽然节省一根导线但完成温度测量的时间较长。对于土壤温湿度的采集，采用广州奥松电子有限公司生产的DHT11单线数字传感器，直接与单片机STC12C5A60S2的P3.3口单线相连，信息通过单线接口从DHT11送出。考虑到连接线的长度我们使用了一个4.7K的上拉电阻。供电方式与DS18B20相同。对于光照强度的采集，我们采用光敏电阻与一个100K的固定电阻串联采分压的形式。光敏电阻在不同光照条件下阻值不同，光照越强阻值越小所分得的电压值也越小，由于光敏电阻式非线性电阻，无法找到准确的光照与阻值的函数关系，只能定性将不同电压值与光照强度对应。对应关系如下：超强光（0V～0.6V）；强光（0.6V～1.2V）；一般光（1.2V～1.8V）；较弱光（1.8V～2.4V）；弱光（2.4V～3V）；黑（大于3V）。

如图4所示，为本发明的液晶显示模块1电路图，液晶显示模块1采用LCD12864进行显示，该液晶是128×64点阵的汉字图形型显示模块。外部元件只需一个电位器和一个电容、一个电阻，该液晶通过并行接口与单片机进行通信。具体连接为：VSS与地相连；VDD与5V电压相连，它们之间用电容隔离；3管脚NC与18管脚Vout通过电位器相连；数据指令码CS、读写信号SID、使能信号SCIK分别与单片机STC12C5A60S的P1.5、P1.6、P1.7相连；数据口DB0到DB7分别连接单片机STC12C5A60S的P0.0到P0.7；串并模式选择PSB连接到5V电源；16和17管脚悬空；背光源正负极LCDK和LCDA分别连接到5V电源和地端。

如图5所示，为本发明的控制模块19电路图，对于微型水泵的控制，采用夏普公司生产的光电耦合器PC817C进行控制，当输入端加电信号时，发光器发出光线，照射在受光器上，受光器接受光线后导通，产生光电流从输出端输出，从而实现了"电-光-电"的转换。PC817C是一种线性光电耦合器，能够传输连续变化的模拟电压或电流信号，这样随着输入信号的强弱变化会产生相应的光信号，从而使光敏晶体管的导通程度也不同，输出的电压或电流也随之不同。进而可以根据需要对微型水泵进行控制。电路具体连接为：PC817C的第二管脚（WATER_IO）与单片机STC12C5A60S的P2.3口相连。对于大功率LED灯的控制，采用POWTECH公司生产的高调光比LED恒流源驱动器PT4115进行控制。PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可以用于驱动一颗或多颗串联大功率LED灯。通过高端电流采样设置LED平均电流，并通过DIM引脚可以接受模拟调光和很宽范围的PWM调光。当DIM的电压低于0.3伏时，功率开关关断，PT4115进入极低工作电流的待机状态。外围电路具体连接如图5所示，其中PWM端口和LED_IO端口分别于单片机STC12C5A60S的P1.4口和P2.2口相连，14V～17V的供电电源直接与稳压电源模块相连。

如图6所示，为本发明的GSM通信模块9结构框图，将台湾SIMCOM公司生产的SIM300S的TXD端与STC12C5A60S的RXD端口相连，将SIM300S的RXD端与STC12C5A60S的TXD端口相连，将他们的GND端相连，实现共地。完成GSM通信模块9与微处理器15之间的通信。

如图7所示，为本发明的稳压电源模块16结构框图，通过选择外部电压源和内部电池组供电，再通过整流、滤波、稳压一系列变化得到我们需要的恒定电压。采用惠斯通电桥进行整流，并联电容进行滤波，TI公司生产的LM78系列三端稳压芯片进行稳压。

如图8所示，为本发明的语音模块17结构框图，将需要播报的语音首先录入美国ISD公司生产的ISD1760，STC12C5A60S的P2.4口到P2.7口与ISD1760的MISO、MOSI、SCLK、SS分别相连，这样微处理器15就能够直接调用录入ISD1760的每一段语音的地址，进行语音播报。

如图9所示，为本发明的系统软件整体流程图，图中从100开始，进入系统的模块初始化，首先进行串口初始化101操作，然后进行LCD12864液晶初始化102操作，紧接着是DS18B20温度传感器初始化103操作，AD初始化104操作，最后在初始化完成后实现液晶初始化显示105，最后进入系统循环测控状态，首先进行温度采集与显示106，湿度采集与显示107，光线采集与显示108。同时显示完成后，进行109操作，判断语音播报按钮是否关闭，如果关闭则进行下次循环采集，否则进行相关数据的语音播报。

如图10所示，为本发明的系统软件温度采集流程图，温度采集的工作流程为：从200开始，首先进行的201操作，DS18B20的初始化，然后进行202、203写命令操作，实现不读序列号，启动温度转换的操作，紧接着再进行204操作，完成延时、初始化DS18B20，接着再进行205和206操作，相关命令的写入，最后实现温度的读取，首先是读低字节温度数据207，再读高字节温度数据208，最后通过数据的整合处理209，实现温度相关参数的转换。

如图11所示，为本发明的湿度采集与微型水泵控制流程图，从200开始完成湿度采集301，首先进行湿度传感器模块11初始化302，然后就可以分别读取湿度高位303，湿度低位304，温度高位305，温度低位306，校验位307，如果校验成功，则将采集的数据用来进行显示309，否则跳出函数直接返回312，检验成功的同时判断湿度310，如果不足，将完成打开微型水泵311动作，否则函数返回312。从而实现了湿度采集与微型水泵控制。

如图12所示，为本发明的语音控制流程图，从400开始，系统上电语音播报401，首先进行402操作，完成初始化语音模块17，判断温度是否过高403，如果为温度过高，选择播报温度过高404，判断温度是否过低405，如果温度过低，选择播报温度过低406。再进行土壤湿度判断，检测土壤是否缺水407，如果土壤的湿度过低（缺水），选择播报土壤缺水408。最后进行光线检测，判断环境是否太黑409，如果环境光照太黑，选择播报环境太黑410，然后函数返回411。

如图13所示，为本发明的光线采集与光照控制流程图，从500开始，进行光线采集与控制501，首先完成502操作，通过AD采集光敏电阻两端电压，采集的数据用于微处理器15进行数据处理，接着进行电压判断，判断电压是否处于0~0.6V的范围内503，当电压处于该范围内时，判断为晴天504；否则判断电压是否处于0.6V~1.2V的范围内505，当电压处于该范围内时，判断为多云506；否则判断电压是否处于1.2V~1.8V的范围内507，当电压处于该范围内时，判断为阴天508；否则判断电压是否处于1.8V~2.4V的范围内509，当电压处于该范围内时，判断为昏暗510；否则判断电压是否大于2.4V 511，当电压大于2.4V时，判断为夜晚512。接着将采集的天气数据用于显示513。最后我们通过判断不同的天气情况，判断光照是否为晴天514，如果光线处在晴天以下，进行515操作，通过PWM调节大功率LED灯的亮度，再返回516，使整个植物处在均匀光照环境中。

如图14所示，为本发明的基于Android操作系统的APP程序流程图，从600开始，首先完成设置XML控件布局601，其中包括主登陆界面布局、用户信息注册界面布局、控制界面布局三部分，接着实现用户信息注册602，包括用户姓名与密码等。输入刚才注册的用户信息后就完成用户登录603，进入APP控制界面604，包括有植物状态查询、打开水阀、关闭水阀、读取状态以及植物生长环境显示等功能。通过点击不同的button控件，分别启动拨打电话intent进程605，然后会接收智能远程植物装置的短信命令606，接着解码接收到的信息命令607，最后在控制界面中显示当前生长环境状态信息608，完成显示后函数返回609。

Claims

1.一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的监控装置包括塑料外壳（3）、温度传感器模块（10）、湿度传感器模块（11）、光敏传感器模块（12）、按键选择模块（2）、微型水泵（13）及内置水箱（14）、大功率LED灯（5）、液晶显示模块（1）、微处理器（15）、GSM通信模块（9）、稳压电源模块（16）、语音模块（17）、信号采集模块（18）；信号采集模块（18）完成对植物生长环境数据的采集并交给微处理器（15）进行处理，微处理器（15）根据用户通过按键选择模块（2）键入的标准值与各个传感器模块采集到的数据进行对比，从而判断出当前的环境是否满足植物的生长，并将采集到的环境数据用液晶显示模块（1）进行显示；当植物生长环境不满足其生长需要时，通过GSM通信模块(9)发短信到对应的智能手机(8)，用户通过基于Android操作系统的APP程序，完成增加光照和水分的控制；当微处理器(15)接到“加光”控制命令，就根据需要调节大功率LED灯(5)，为植物增加光照强度；当微处理器(15)接到“浇水”控制命令，就打开微型水泵(13)，将内置水箱(14)的水抽出通过设置有数个小孔的塑料软管(7)为植物浇水；稳压电源模块(16)为本装置其他各个模块提供恒定的稳压电源。

2.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的塑料外壳（3）包括两层，内层与外层之间为电路和信号连线。

3.根据权利要求1所述的植物生长环境监控装置，其特征在于：所叙述的液晶显示模块（1）镶嵌在塑料外壳（3）的外层上，与微处理器（15）相连，用于显示植物当前所处的环境信息。

4.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的按键选择模块（2）镶嵌在塑料外壳（3）的外层上，与微处理器（15）相连，用于手动更改微处理器（15）内不同种类植物最佳生长环境指标。

5.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的稳压电源模块（16）由外部电压源供电，采用稳压电路实现一种电压等级输入-多种电压等级输出的功能，为电路板中不同的电路模块或芯片提供多个电压等级的直流电压。

6.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的微型水泵（13）及内置水箱（14），分别与微处理器（15）和塑料水管（7）相连，塑料水管（7）的另一端绕在该装置的内壁一圈，通过在塑料水管的上部设置小孔，用于为植物浇水。

7.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的大功率LED灯（5），通过驱动芯片与微处理器（15）相连，将八个大功率LED灯（5）串联起来，均匀固定在植物生长环境监控装置上沿的八个不同位置，用于为植物增加光照。

8.根据权利要求7所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的通过微型水泵（13）洒水以及通过大功率LED灯（5）进行光照，其特征在于：对微型水泵（13）和大功率LED灯（5）的控制是通过调节PWM波改变分流控制电路的电流，从而改变微型水泵（13）的抽水量和大功率LED灯（5）的亮度来实现的。

9.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的基于Android操作系统的APP程序，用来提取通过GSM通信模块（9）发送到智能手机上的短信；用户通过点击基于Android操作系统的APP程序上的控件，完成发送特定短信到微处理器（15），从而实现远程控制植物监控装置的浇水和加光功能。

10.根据权利要求1所述的一种植物生长环境监控装置，其特征在于：所述的语音模块（17）与微处理器（15）相连，根据信号采集模块（18）采集的环境参数值与按键选择模块（2）键入的标准值对比，不匹配时，发出相应的语音提示。