2023 10 電腦編程技巧與維護(hù) 1 概述 隨著人們生活質(zhì)量需求的不斷提高 在學(xué)習(xí)工作之 余養(yǎng)殖花卉逐漸成為一種新風(fēng)尚 這不僅能凈化空氣 改善環(huán)境 還能調(diào)節(jié)心情 給生活增添綠意和生機(jī) 伴 隨著花卉設(shè)施栽培技術(shù)的發(fā)展 花卉種類(lèi)越來(lái)越豐富 人們對(duì)新奇花卉品種的需求逐漸增加 加之電子商務(wù)等 迅速發(fā)展 多肉植物養(yǎng)殖已由小眾的愛(ài)好逐漸發(fā)展成為 多肉植物產(chǎn)業(yè) 與其他花卉相比 多肉植物養(yǎng)殖對(duì)光 照 土壤 溫度和水分的要求差別較大 1 2 一般具有喜 光 耐旱 對(duì)溫度敏感等特性 3 受限于不擅管理 不 懂栽培等因素 現(xiàn)階段多肉植物養(yǎng)殖普遍存在智能化 程度不高 粗放式管控 單一化和不能實(shí)時(shí)監(jiān)控等問(wèn) 題 隨著嵌入式技術(shù)的持續(xù)更新和發(fā)展 智能嵌入式 設(shè)備逐漸滲透到人們的生活 結(jié)合多肉植物養(yǎng)殖的現(xiàn) 實(shí)需求和嵌入式技術(shù) 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 設(shè)計(jì)了一 款智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng) 該系統(tǒng)以 STC89C52RC 單 片機(jī)為控制核心 以土壤濕度傳感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設(shè)備采集環(huán)境溫濕度 土壤濕 度 光照強(qiáng)度等生長(zhǎng)環(huán)境變量 通過(guò) LCD1602 顯示 屏 App 等進(jìn)行同步顯示 根據(jù)按鍵設(shè)置的自動(dòng)模式 和手動(dòng)模式對(duì)異態(tài)進(jìn)行處理 該系統(tǒng)適用于家庭 辦 公室等工作場(chǎng)所 可以滿(mǎn)足用戶(hù)精細(xì)化養(yǎng)殖多肉植物 的需求 2 系統(tǒng)架構(gòu) 系統(tǒng)采用STC89C52RC為控制核心 以土壤濕度傳 感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設(shè)備采集土壤 濕度 光照強(qiáng)度和環(huán)境溫濕度等信息 經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理 后 按照按鍵設(shè)置的模式發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)到 LCD1602 進(jìn) 行顯示 將設(shè)置的土壤濕度的上限值和下限值 光照強(qiáng) 度的上限值和下限值與采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比 超過(guò)預(yù)設(shè) 值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的告警信號(hào) 如果模式為自動(dòng)模式 則可 根據(jù)光照強(qiáng)度自動(dòng)打開(kāi)與閉合弱遮陽(yáng)簾 根據(jù)濕度情況 控制水泵機(jī)進(jìn)行澆水 停止?jié)菜?采集的數(shù)據(jù)還可以 通過(guò) ESP8266 WiFi 通信模塊上傳到服務(wù)器 用戶(hù)通過(guò) App可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息查看及異態(tài)的處理 硬件總體結(jié) 構(gòu)框圖如圖1所示 除構(gòu)成單片機(jī)的最小硬件系統(tǒng) 單 片機(jī) 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 外 主要還包括信息采集 模塊 環(huán)境溫濕度傳感器 土壤濕度傳感器 DHT11 光照傳感器 A D 轉(zhuǎn)換模塊 執(zhí)行模塊 遮陽(yáng)傘 水 泵 通信模塊 人機(jī)交互模塊 獨(dú)立按鍵模塊 LCD1602顯示模塊 和電源模塊5部分 3 系統(tǒng)硬件 3 1 信息采集模塊 信息采集模塊由環(huán)境溫濕度傳感器 DHT11 土壤 濕度傳感器 光照傳感器 A D 轉(zhuǎn)換模塊 ADC0832 組成 如圖 2 所示 溫濕度傳感器 DHT11 主要負(fù)責(zé)環(huán) 境溫濕度的采集 其中 測(cè)量范圍為濕度 20 90 基金項(xiàng)目 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智慧農(nóng)牧業(yè) 科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式應(yīng)用子團(tuán)隊(duì) 階段性成果 批準(zhǔn)號(hào) TDE202308 作者簡(jiǎn)介 祝鵬 1987 男 碩士 講師 研究方 向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng) 數(shù)據(jù)分析與挖掘 包永紅 1981 男 碩士 講師 研究方向?yàn)檐浖夹g(shù) 基于單片機(jī)的智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 祝鵬 包永紅 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古 包頭 014109 摘 要 為解決現(xiàn)階段多肉植物養(yǎng)殖智能化程度不高 管控不便等問(wèn)題 設(shè)計(jì)了一款智能化 自動(dòng)化的 智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng) 該系統(tǒng)以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心 以土壤濕度傳感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設(shè)備采集生長(zhǎng)環(huán)境變量 通過(guò)LCD1602顯示屏 按鍵等實(shí)現(xiàn)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)交互 通過(guò) ESP8266 WiFi通信模塊和App實(shí)現(xiàn)人機(jī)的遠(yuǎn)程交互 實(shí)驗(yàn)表明 在此設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)多肉植物生 長(zhǎng)環(huán)境的異態(tài)感知與反向控制 具有響應(yīng)快 穩(wěn)定性高 安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) 關(guān)鍵詞 單片機(jī) 智能設(shè)備 多肉植物養(yǎng)殖 溫濕度檢測(cè) ESP8266模塊 圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖 光照傳感器 獨(dú)立按鍵模塊 LCD1602 顯示模塊 信 息 采 集 模 塊 環(huán)境溫濕度傳感器 DHT11 土壤濕度傳感器 通 信 模 塊 App ESP 8266 WiFi 模塊 A D 轉(zhuǎn)換 模塊 STC89C52RC 單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)芯片 步進(jìn)電機(jī) 遮陽(yáng)傘 執(zhí) 行 模 塊繼電器控制電路 水泵 人機(jī) 交互 模塊 電源 模塊 5V 12V 3 3V 125 DOI 10 16184 prg 2023 10 026 2023 10 電腦編程技巧與維護(hù) RH 溫度為0 50 測(cè)量濕度分辨率為1 RH 測(cè)量 溫度分辨率為 1 采樣周期 1 s 主要有 VCC 供電 3 5 5 5 V DATA 單總線(xiàn)串行數(shù)據(jù) NC 懸空 GND 接地 4個(gè)引腳 DHT11與單片機(jī)之間采用單總線(xiàn)進(jìn)行 通信 因此僅需要一個(gè)I O口 即將DATA引腳與單片 機(jī) P2 4 口連接 在獲取傳感器數(shù)據(jù)時(shí) 首先 按照設(shè) 計(jì)要求進(jìn)行電平操作 將電平拉低 18 ms 后再拉高電 平 然后 等待傳感器響應(yīng) 響應(yīng)成功后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀 出 數(shù)據(jù)接收順序?yàn)闈穸雀呶?濕度低位 溫度高位 溫度低位 最后組成溫濕度數(shù)據(jù) 光敏傳感器采用 GL5516光敏電阻采集光照強(qiáng)度數(shù)據(jù) 通過(guò)ADC0832 的 模擬輸入通道 CH1 進(jìn)行轉(zhuǎn)換并獲取數(shù)字量 土壤濕度 傳感器先采用土壤濕度檢測(cè)探頭采集模擬量數(shù)據(jù) 再通 過(guò)ADC0832 的模擬輸入通道CH0轉(zhuǎn)換數(shù)字量 4 5 圖2 信息采集模塊電路圖 3 2 執(zhí)行模塊 執(zhí)行模塊主要負(fù)責(zé)完成遮陽(yáng)傘的打開(kāi)與關(guān)閉 水泵 的打開(kāi)與關(guān)閉操作 由遮陽(yáng)傘控制模塊和水泵控制模塊 組成 其中 遮陽(yáng)傘控制模塊由 ULN2003 驅(qū)動(dòng)芯片和 28BYJ 48 步進(jìn)電機(jī)組成 ULN2003 驅(qū)動(dòng)芯片主要起到 放大作用 28BYJ 48 步進(jìn)電機(jī)控制遮陽(yáng)傘 步進(jìn)電機(jī) 有正轉(zhuǎn)編碼和反轉(zhuǎn)編碼 固定編碼讀取數(shù)組中的數(shù)據(jù) 即可實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn) 即遮陽(yáng)傘的打開(kāi)與閉合操作 水 泵控制模塊主要由控制電路和水泵組成 控制電路可以 采用三極管控制或繼電器控制 6 設(shè)計(jì)采用繼電器控制 方式 當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時(shí) 引發(fā)繼電器開(kāi)關(guān)動(dòng)作 水泵正常工作 當(dāng)單片機(jī)輸出低電平時(shí) 引發(fā)繼電器斷 開(kāi) 水泵停止工作 3 3 通信模塊 通信模塊由 ESP8266 模塊和手機(jī) App 組成 其中 ESP8266模塊是物聯(lián)網(wǎng)常用模塊 通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn) 行通信 RX 與 TX 通過(guò)傳輸指定命令實(shí)現(xiàn)控制 手 機(jī)端可以通過(guò)WiFi連接ESP8266所提供的WiFi并進(jìn)行 相應(yīng)命令的收發(fā) 把提前設(shè)置好的命令參數(shù)通過(guò)連接 ESP8266 的 WiFi 傳入模塊 再通過(guò) ESP8266 與單片機(jī) 間的串口連接進(jìn)行通信 把數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)并執(zhí)行相應(yīng) 指令 7 使用過(guò)程中先將 ESP8266 初始化 再連接 USB 轉(zhuǎn)串口工具并打開(kāi)串口調(diào)試程序 將ESP8266模式配置 為AT指令 開(kāi)啟服務(wù)器模式 給定端口號(hào) 獲取IP地 址 手機(jī)連接對(duì)應(yīng)WiFi 在App中輸入端口號(hào)和 IP 地 址等配網(wǎng)信息 使 ESP8266 模塊連接到無(wú)線(xiàn)路由器 WiFi 此時(shí)打開(kāi)特定App能夠查看當(dāng)前植物的狀態(tài) 包 括溫度 土壤濕度 光照強(qiáng)度 同時(shí)還可以輸出反向控 制命令 對(duì)多肉系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)模式的轉(zhuǎn)換 遮陽(yáng) 傘的打開(kāi)與關(guān)閉 水泵的打開(kāi)與關(guān)閉等操作 3 4 人機(jī)交互模塊 人機(jī)交互模塊由 LCD1602 按鍵 LED 等組成 LCD1602 是字符型液晶 每字 5 8 點(diǎn)陣 字符區(qū)域?yàn)?16 2 個(gè) 其顯示字母和數(shù)字比較方便 控制簡(jiǎn)單 成 本較低 按鍵采用獨(dú)立按鍵方式 由4個(gè)按鍵 S1 S2 S3 S4 組成 S1 鍵為設(shè)置按鍵 可設(shè)置溫度 濕度 光照的預(yù)設(shè)值 并進(jìn)入設(shè)置模式 在設(shè)置模式中 S4 鍵 切換設(shè)置位置 即設(shè)置不同參數(shù)的上限值和下限值 S2 S3 鍵功能為數(shù)值加減 退出設(shè)置模式即再次點(diǎn)按 S1 鍵 S2 鍵功能為切換工作模式 可切換為 M 手動(dòng) 模式 A 自動(dòng)模式 并在屏幕 Md 模式 字樣后 顯示當(dāng)前模式 S3 鍵功能為控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn) 即控 制遮陽(yáng)傘的開(kāi)合狀態(tài) 按下S3鍵正轉(zhuǎn)360 打開(kāi)遮陽(yáng)傘 再次按下S3鍵即反轉(zhuǎn)360 關(guān)閉遮陽(yáng)傘 遮陽(yáng)傘狀態(tài)在 St 遮陽(yáng)傘狀態(tài) 字樣后顯示 O 為打開(kāi)狀態(tài) C為 關(guān)閉狀態(tài) S4 鍵功能為控制水泵機(jī)工作狀態(tài) 按下 S4 鍵時(shí)水泵工作 再次按下 S4 鍵時(shí)水泵停止工作 LED主要用來(lái)指示電源的狀態(tài) 3 5 電源模塊 電源模塊主要提供整個(gè)電路工作的電壓 主要由 溫濕度傳感器 光敏傳感器 土壤濕度傳感器 ADC 數(shù)據(jù)采集 5V DHT11 R1 10k 1 2 3 4 P2 4 VCC DATA NC GND 5V R2 10k CH1 38 1 GL5516 5V R3 10k CH0 2 1 5V U1 P1 2 8 7CH0 CH1 P1 0 P1 1 VCC CLK DI DO ADC0832 6 5 4 3 2 1 CS CH0 CH1 GND 126 2023 10 電腦編程技巧與維護(hù) 3 3 V電壓 5 V電壓和12 V電壓組成 其中 3 3 V電 壓主要給ESP8266 供電 5 V 電壓主要給單片機(jī) 信息 采集模塊 LCD1602 顯示模塊等供電 12 V 電壓主要 給執(zhí)行模塊供電 既可采用電池組供電 也可采用直流 電源供電 考慮維護(hù) 成本 健壯性等因素 選擇直流 電源供電 直流電源由變壓器電路 整流電路 濾波電 路和穩(wěn)壓電路等組成 4 系統(tǒng)軟件 4 1 主程序 程序框架以主程序?yàn)楹诵目蚣?加入信息采集控制 模塊子程序 總體程序流程如下 系統(tǒng)上電運(yùn)行 執(zhí)行 自檢和設(shè)備初始化 進(jìn)行按鍵掃描 如有按鍵判斷類(lèi)型 并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的按鍵處理程序 主要有土壤濕度閾值設(shè) 置 光照強(qiáng)度閾值設(shè)置 溫度閾值設(shè)置 工作模式設(shè)置 及手動(dòng)模式下遮陽(yáng)傘 水泵工作狀態(tài)設(shè)置等 然后執(zhí) 行信息采集控制模塊子程序 采集土壤濕度 光照強(qiáng)度 和環(huán)境溫濕度等參數(shù)信息 由 LCD1602 進(jìn)行顯示 并 且通過(guò) WiFi 通信模塊上傳到服務(wù)器端 通過(guò) App 進(jìn)行 顯示 程序主流程如圖3所示 4 2 信息采集控制模塊子程序 信息采集控制模塊子程序主要完成土壤濕度 光照 強(qiáng)度和環(huán)境溫濕度等參數(shù)的采集并進(jìn)行異態(tài)處理 即將 采集的數(shù)值與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較 如果數(shù)值不在正常 范圍內(nèi) 則根據(jù)設(shè)置的工作模式進(jìn)行異態(tài)處理 如果為 自動(dòng)模式 且光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)異常 則自動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī) 完成遮陽(yáng)傘的打開(kāi)與閉合 若土壤濕度數(shù)據(jù)異常 則自 動(dòng)控制繼電器驅(qū)動(dòng)水泵工作與停止工作 若環(huán)境溫濕度 異常 則不做反向控制 只給出告警提示 如果為手動(dòng) 模式 則相應(yīng)異常參數(shù)在 LCD1602 上閃爍顯示 通過(guò) 按鍵 S3 S4 手動(dòng)操作遮陽(yáng)傘或水泵 信息采集控制模 塊程序流程如圖4所示 5 結(jié)語(yǔ) 基于單片機(jī)的智能多肉植物養(yǎng)殖系統(tǒng)以土壤濕度傳 感器 光照傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器等設(shè)備采集生長(zhǎng) 環(huán)境變量 通過(guò)按鍵等設(shè)置植物相關(guān)環(huán)境變量的閾值及 系統(tǒng)的控制模式 將采集參數(shù)與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較 根據(jù)系統(tǒng)的控制模式自動(dòng)或手動(dòng)控制水泵或遮陽(yáng)傘 同 時(shí)可經(jīng)由 LCD1602 顯示屏 ESP8266 WiFi 通信模塊和 App 實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互 滿(mǎn)足了產(chǎn)品功能和設(shè)計(jì)的需求 但在針對(duì)不同多肉植物土壤濕度的特殊要求打造專(zhuān)家系 統(tǒng) 根據(jù)具體養(yǎng)殖的多肉植物建立濕度模型 多盆盆栽 植物環(huán)境變量的精準(zhǔn)采集及匯集等方面還存在不足 有 待進(jìn)一步提高和改進(jìn) 參考文獻(xiàn) 1 邱巍 王磊 衣立夫 等 露天養(yǎng)護(hù)多肉植物自動(dòng) 遮陽(yáng)遮雨裝置設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 2019 291 42 43 2 丁曉浩 金繼良 蔡健 等 不同光源條件下多肉 植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究 J 黑河學(xué)院學(xué)報(bào) 2020 2 215 217 圖3 程序主流程 圖4 信息采集控制模塊程序流程 開(kāi)始 自檢和設(shè)備初始化 按鍵掃描 是 按鍵處理程序 否 信息采集控制模塊 子程序 顯示及數(shù)據(jù)上報(bào) 開(kāi)始 各傳感器參數(shù)采集 否 異常參數(shù) 閃爍顯示 通過(guò)按鍵 S3 S4 手動(dòng) 驅(qū)動(dòng)遮陽(yáng)傘或水泵 自動(dòng)模式 是 土壤濕度 是否正常 低于下限閾值 高于上限閾值 驅(qū)動(dòng)水泵抽水 關(guān)閉水泵抽水 是 是 是 否 否 否 光照強(qiáng)度 是否正常 高于上限閾值 低于下限閾值 打開(kāi)遮陽(yáng)傘 關(guān)閉遮陽(yáng)傘 是 是 是 否 否 否 環(huán)境溫濕度 是否正常 給出告警 提示 否 是 下轉(zhuǎn)第151頁(yè) 127 2023 10 電腦編程技巧與維護(hù) 3 和學(xué)泰 李子良 李慶黨 基于單片機(jī)的智能多肉 養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 2021 34 9 147 148 4 朱春馨 劉亞榮 謝曉蘭 等 多肉植物大棚環(huán)境 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 電子設(shè)計(jì)工程 2023 31 1 189 193 5 洪樹(shù)亮 基于單片機(jī)智能澆花控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 電子世界 2019 8 173 174 6 張子瑜 張曉芳 一種基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花系 統(tǒng)設(shè)計(jì) J 電腦編程技巧與維護(hù) 2023 1 104 106 7 何偉 程萬(wàn)杰 劉濤 等 基于 ESP8266 的網(wǎng)絡(luò)智 能澆花系統(tǒng) J 電子世界 2020 3 87 88 上接第127頁(yè) 208 99 68 22 5 結(jié)語(yǔ) 采用的圖像配準(zhǔn)算法可以提取豐富的 Susan 角點(diǎn)特 征 另外 Susan 算子對(duì)于噪聲的抵抗力較強(qiáng) 保證了 基于點(diǎn)特征配準(zhǔn)的可行性 相對(duì)于多源遙感圖像配準(zhǔn)算 法 僅僅在點(diǎn)特征提取階段需要設(shè)置亮度差閾值 t 控 制 Susan 特征點(diǎn)的數(shù)量 后續(xù)的點(diǎn)特征匹配 空間模型 參數(shù)求解 圖像變換重采樣均可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 點(diǎn)特征 匹配算法可以挖掘出充裕數(shù)量的同名點(diǎn)對(duì) 且不會(huì)出現(xiàn) 錯(cuò)誤匹配點(diǎn)對(duì) 對(duì)于各類(lèi)多源圖像均具備很強(qiáng)的魯棒 性 利用獲得的同名控制點(diǎn)對(duì)迭代修正計(jì)算變換參數(shù) 將誤差范圍控制在 0 5 個(gè)像素之內(nèi) 從而保證了圖像的 配準(zhǔn)精度 較快的配準(zhǔn)速度 各類(lèi)圖像的配準(zhǔn)速度均在 45 s 以?xún)?nèi) 適用于存在較大平移 旋轉(zhuǎn)量的圖像配準(zhǔn) 但是 Susan 算法對(duì)復(fù)雜紋理圖像的漏檢率相對(duì)過(guò)高 因 此進(jìn)一步降低錯(cuò)誤率是未來(lái)研究的方向 參考文獻(xiàn) 1 何文峰 查紅彬 基于平面特征的深度圖像配準(zhǔn) D 北京 北京大學(xué) 2006 2 倪國(guó)強(qiáng) 劉瓊 多源圖像配準(zhǔn)技術(shù)分析與展望 J 光電工程 2004 31 9 1 6 3 王東峰 多模態(tài)和大型圖像配準(zhǔn)技術(shù)研究 D 北 京 中國(guó)科學(xué)院 2002 4 張遷 劉政凱 龐彥偉 等 基于 SUSAN 算法的航 空影像的自動(dòng)配準(zhǔn) J 測(cè)繪學(xué)報(bào) 2003 32 3 245 250 5 周成平 蔣煜 李玲玲 等 基于改進(jìn)角點(diǎn)特征的 多傳感器圖像配準(zhǔn) J 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2005 33 11 1 4 6 王小睿 吳信才 李軍 模擬退火算法的改進(jìn)策略 在模板匹配上的應(yīng)用 J 小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1997 18 8 32 37 圖8 存在較大平移 旋轉(zhuǎn)量的圖像配準(zhǔn) a b c d e nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 151