基于STM32与物联网IP技术的智能生态阳台场景的设计与实现　

作者 杨巍1 刘倩2 邱博3

　　1.66389部队(陕西 西安 710000) 2.中国联通河南省分公司(河南 郑州 450000) 3.河南省简能物联网科技 (河南 郑州 450000)

　　杨巍(1987-)，女，硕士，助理工程师，研究方向：通信与信息系统;刘倩，女，硕士生，中级工程师，研究方向：网络管理与IT中心数据网维护;邱博，男，助理工程师，研究方向：嵌入式系统。

摘要：基于STM32单片机和云平台，结合物联网IP技术，设计了一种智能生态阳台的场景。该场景可以通过手机APP端选择阳台所栽培植物的种类，并通过该场景中的环境监测与控制系统对阳台的空气温湿度、土壤湿度、环境光照度、PM2.5等环境参数进行监测，当环境参数与所选植物的最适宜的生长环境差距较大时，可以通过场景内的控制系统完成对各项环境参数的控制，使得植物能够始终保持在其最适宜的生长环境中。

0 引言

　　如今，物联网技术的发展带来的智能化产品，已经慢慢的渗透进人们的生活的方方面面。而随着人们对智能家居的需求越来越高，人们会在生活中不断的发现自己新的需求。

　　而随着城市的生活节奏逐渐加快，越来越多的城市居民希望绿色生态能够进入自己的家中，人们开始更多的从生态角度考虑自己的生活方式，开始在阳台上种植一些自己喜欢的花草等植物，然而对于工作压力较大、经常加班的上班一族，很容易忽略自己种植的作物的生长状态，导致其得不到细心照料，难以正常生长甚至枯萎死亡。特别是对于那些上班出差一族来说，若是自己长时间在外出差，家中的花草更是得不到照料，难以正常生长。而本设计中提出的智能生态阳台这一概念，能够很好的解决以上问题，为城市加班和出差族们提供了在家庭中实现绿色生态的可能。

1 智能生态阳台的功能设计

　　1.1 智能生态阳台的设计框图

　　该系统主要分为硬件和软件两大部分的设计。硬件部分的设计包括，STM32外围电路以及相关的传感器、控制设备、WiFi模块与STM32连接电路的设计;软件部分的设计包括，STM32的软件开发以及Android手机App的代码编写。系统的设计框图如图1所示。

　　在该场景的设计中，采用自行设计的一款土壤湿度传感器，用来监测阳台所栽培的家居盆栽植物的土壤湿度状态，并配以灌溉系统，从而达到自动灌溉的目的;采用光照强度传感器，监测环境光的信息，并配以照明和窗帘控制系统，从而能够智能调节阳台光照强度在一个舒适的范围内;采用空气温湿度传感器，对阳台上的空气温湿度进行实时监测;采用PM2.5传感器，用来对每天的空气质量进行监测;并配以开关窗的系统，对窗户的开关进行控制，从而给阳台一个最适宜的环境。同时在设计中采用WiFi通信模块，实现了对阳台上的环境和所有的控制设备的远程监测与操控。

　　1.2 系统的硬件设计

　　设计中使用ST公司的STM32F103ZET6为主控芯片，并设计其最小系统电路，配合WiFi模块、土壤湿度传感器、人体热释电红外传感器、光照强度传感器、PM2.5等多种传感器，结合水泵、步进电机和LED补光灯等控制部件共同完成硬件部分的整体设计。该设计的整体电路如图2所示。

　　电路原理图中所涉及到的主要电路模块详细功能介绍如下。

　　(1)土壤湿度传感器。经过搜索发现对于植物土壤湿度的检测，目前市面上大多数土壤湿度传感器模块不能准确的检测出土壤湿度信息，因此，为了更精确的采集土壤湿度信息，该设计中自行设计了一款土壤湿度传感器。其电路原理图如图3所示。

　　在原理图中可以看出，该设计使用STM32F03ZET6的AD转换功能模块，采用ADC3的通道12，同时通过DMA2的通道5采集‘out’端电压。对采集到的电信号进行实测和分析，可以得到传感器采集电压信号数据和土壤湿度值对应关系图表，如下图4所示。对比图表，即可得出当前的土壤湿度值。

　　(2)ESP8266 WiFi模块。该模块的特点是成本低、使用简便、功能强大。本设计中采用STM32的串口通信，并使用ESP8266 串口转WiFi模块实现远程网络通信，将通过网络采集到的数据，经过串行口发送给STM32单片机，进行进一步的处理。同时通过WiFi模块将智能生态阳台系统接入到机智云的云端服务器，为系统提供了远程控制的解决方案。

　　(3)空气质量传感器(PM2.5传感器)。空气质量模块我们选择了光学灰尘传感器(GP2Y1014AUOF)灰尘传感器，检测空气质量来提示用户，当空气PM2.5高时还可以通过STM32控制器控制减速步进电机来关闭窗帘，为用户提供更加安全的居住环境。

　　(4)光照强度传感器BH1750FVI。BH1750FVI 是一种使用I2C总接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率可以探测较大范围的光强度变化(0-65535 lx)。在设计中用于检测环境光照亮度，并依据光照亮度调节窗帘及作为照明灯自动控制的条件。

　　(5)热释电红外传感器。热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。考虑到晚上可能会有人进入阳台，该系统中使用热释电人体红外传感器来感应有无人出现。根据当前光照强度和人体感应模块的数据进行处理从而自动控制照明灯的亮灭。

　　(6)系统的时间。本设计中提供了两种时间模式：“本地时间模式”和“网络时间模式”。“本地时间模式”使用了实时时钟DS1302，DS1302是SPI接口的实时时钟芯片，具有年、月、日、星期、时、分、秒七位计时功能，可以保证设备断电后时间信息的精确性;

　　“网络模式”则通过从云服务器上的NTP协议获取UTC时间，该模式能够省去手动设置日期时间的繁琐，也能保证时钟的同步性和精确性。

　　通过以上模块的协作，我们将各模块收集的数据上传至云端服务器，同时与手机APP端进行通信，为用户提供远程可管理的绿色环保多功能化的阳台场所，为用户节约时间，让生活更高效与便捷，提高人们的生活质量。智能生态阳台的硬件实物图如图5所示。

　　1.3 智能生态阳台的应用软件设计

　　该系统以Android操作系统为平台开发了与系统硬件设备对应的，名为“智能生态阳台”的手机APP，以实现远程监控阳台信息的功能。APP界面上有“水泵模式”、“照明灯模式”以及“窗帘模式”的“自动”与“手动”的选择，还有“植物种类”、“当前月份信息”，用户可以通过APP设置窗帘的开合度、植物的喜好湿度以及光照强度，同时也可以通过APP实时了解到当前阳台中空气质量、温度、湿度以及土壤湿度等信息。这样一来，即使用户不在家也能了解自家阳台情况，使用户生活更高效。APP操作界面如下图6(a)和图6(b)所示。

2 设计中的创新点

　　本设计在普通阳台的基础上加入了许多新颖的创新和设计理念：

　　(1)植物适宜的土壤湿度和光照强度会根据植物的种类和当前的月份结合该植物的生长习性通过我们设计的养护系统自动调节，用户只需要种植时选择对应的植物种类即可，而对于APP上没有的植物类型用户还可以将植物类型设置为“自定义”，并自定义设置相应数据。

　　(2)照明灯光可以根据当前的环境光照强度和有没有人在阳台，自动控制照明灯的开启与关闭。

　　(3)窗帘可以根据当前的空气质量和光照强度自动打开与关闭，从而为用户和植物提供更舒适地环境。

3 结论

　　在现今物联网浪潮铺面而来的时代，拥有一座自己的自动化、智能化的家居环境是当代居家客们的普遍追求，因此，本设计从这一点出发，在自家的阳台上打造一个低成本、以实现的“智能生态阳台”场景，把阳台变得智能化，激起人们对生活的热爱。将真正的物联网技术落地，应用在生活中最常用的场景。本文中提出的智能生态阳台的场景，希望能为物联网时代的的智能家居浪潮，进行部分场景实现的探索并提供一定的参考价值。

　　参考文献：

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　　[4]冯澍,盛庆华,陈洁,张乃聪.适用于阳台农业的智能植物联网看护系统[J].微型机与应用,2016,35(18):35-38.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第9期第57页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。