基于Arduino平台的互动式智能盆栽设计

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　　摘   要：为实现植物的智能培育，文章设计了一个基于Arduino平台的智能花盆系统。该系统利用传感器、单片机、交互系统等与花盆的结合，对植物的生长状况进行实时监测，并经传输与分析，实行相应反馈措施，实现植物的全天候托管，同时结合智能交互，增加培育过程的趣味性。
　　关键词：Arduino UNO;语音交互;智能花盆
　　随着社会日新月异的发展、生活水平的提升，人們越来越重视生活质量和生活情趣。花卉养殖因具有丰富的观赏价值，能够陶冶情操、给人们的生活增添乐趣，还能净化空气、减少污染，成了许多人的不二选择。
　　目前，室内盆栽养殖主要仍是依靠人工经验，且人们常因工作强度大而无暇照顾这些盆栽，因此，智能盆栽应运而生。但现有的智能盆栽功能单一，大多仅具备自动补水功能。
　　本文设计了一种基于Arduino平台的智能盆栽，可对植物的生长状况实时监测，并经传输与分析实行相应反馈措施，实现植物的全天候托管。除此之外，还加入了用户与花盆的交互设计，能够让人和植物进行互动，增加了养殖过程的趣味性。
　　1    系统结构及功能设计
　　该智能盆栽由花盆体、多种传感器（温湿度传感器、光照传感器等）、驱动模块、蓝牙及WiFi通信模块等组成，系统设计如图1所示。光照传感器置于8处，控制模块根据光照情况数据，控制补光灯是否开启对植物进行补光。土壤温度传感器及土壤湿度传感器置于花盆存放土壤的空间内壁上，当土壤湿度小于设定值时，控制模块将控制信号传达给继电器，使继电器闭合，启动水泵进行浇水。
　　蓝牙模块作为中介，实现了花盆体与WiFi无线网络的连接，并以此实现与手机APP的通信，从而将传感器上检测到的光照强度、温度、土壤湿度等数据发送到手机APP，便于用户实时掌握植物的生长状态。另外，手机APP还会分析接收到的数据并给出植物的照料方案，适时对用户进行提醒。花盆体还具有语音交互的功能，通过置于4处的音响，用户可以与其进行简单的对话交流，使得种植过程更加生动、有趣。控制方案结构如图2所示。
　　2    硬件模块设计
　　（1）控制模块：主控板采用Arduino UNO，Arduino UNO开发板是一个开源的并具有多个I/O接口的物理开发平台，支持多个操作系统，可作为项目开发的控制核心[1]。
　　（2）温湿度检测模块：采用DS18B20温度传感器采集环境中的温度数据，传感器输出数字信号。采用YL-69湿度传感器采集土壤中的湿度，通过编程设置湿度阈值，若土壤湿度大于阈值，则D0引脚输出0，否则输出1，该输出量作为是否需要浇水的评判依据。
　　（3）光照检测模块：采用BH1750传感器，通过光度计来测量盆栽周围环境的光照强度，通过计算电压来获取有效数字，直接输出数字信号到Arduino UNO。
　　（4）驱动模块：采用L9110S驱动直流5 V水泵，驱动电路利用继电器控制水泵的启停，根据不同的植物种类确定不同阈值，当土壤湿度小于阈值时，控制板控制继电器使水泵启动，对植物进行浇灌，当土壤湿度达到一定程度时，水泵关闭。同时，根据不同植物的需求设定每日所需光照，当光照强度小于阈值时，控制板控制补光灯打开，给植物补充光照，光强足够时，补光灯关闭。
　　（5）通信模块：采用HC05蓝牙模块和ESP8266WiFi串口模块。先通过蓝牙模块将手机与盆栽进行连接，并通过蓝牙将所需连接的WiFi无线网络（如家庭WiFi或手机热点等）的用户名和密码发送给主控板，主控板再利用ESP8266WiFi模块将盆栽连接到指定WiFi无线网络上，服务器将通过无线局域网与花盆进行数据传输。
　　（6）交互模块：采用LED显示屏和音响，显示屏上显示实时的光照强度、温度、湿度、水槽水量等信息，通过音响实现人与植物的语音互动。
　　3    软件模块设计
　　3.1  反馈设计
　　在整个花盆的设计过程中，需要在两个方面进行反馈，一个是APP的显示，一个是花盆本身及其显示屏。
　　花盆反馈中，用户通过APP选择自己要种植的植物，此时APP将从数据库中找出该植物所需的最佳光照、湿度等数据。采用IEEE 802.11无线局域网与花盆设备的模块进行通信将数据反馈至花盆，以之为阈值，将传感器模块实时监测的数据与相应阈值进行比较，从而控制水泵及补光设施的开断。
　　3.2  APP显示
　　智慧花盆的配套APP显示基于Android软件开发平台。Android是一套移动设备设计综合平台，且具有开放的体系架构，它丰富的图形系统与多媒体支持为APP的开发提供了很好的拓展性需求[2]。目前的主要功能是查看花盆的传感器检测到的数据信息（环境温度和湿度、土壤湿度以及光照强度）。
　　3.3  交互设计
　　本团队采用语音识别进行交互设计，语音交互的过程包括：唤醒-输入-理解-回答/执行。首先，用户通过指定口令对语音识别系统进行唤醒，让系统知道用户是在和它说话。其次，对用户的具体需求进行识别并执行。在这个过程中的关键在于语音识别、逻辑理解以及反馈输出。语音识别就是机器将用户输入的语音转化为文字的过程，逻辑理解就是机器对于已识别的语音要求进行理解，在这个过程中机器需要一个训练库，通过已知信息与训练库中进行比对确定用户的真实需求。最后，通过不同需求进行反馈，包括生成语音输出或指定操作的执行等[3]。
　　4    结语
　　该智能花盆面向生活忙碌的上班族人群，运用单片机控制花卉生长所需的水分、光照等，用户可以通过APP在任何地方查看花卉盆栽的实时情况，防止因用户出差或者粗心大意导致的植物受损甚至死亡，实现植物的全天候托管，符合现代快速的生活节奏以及家庭智能化普及的趋势。语音交互实现盆栽的“智能化”，通过与植物（花盆）的交互增加培育过程的趣味性。
　　[参考文献]
　　[1]朱鹏.Arduinio开发板与Android手机蓝牙通信的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016（21）：65-66.
　　[2]公磊，周聪.基于Android的移动终端应用程序开发与研究[J].计算机与现代化，2008（8）：85-89.
　　[3]李玮，朱岩.AI语音交互技术及测评研究[J].信息通信技术与政策，2019（12）：83-87.
　　Abstract：According to the design of Arduino platform， the intelligent culture of plants is explained. In addition， the president uses the combination of photosensitive device， single chip microcomputer， alternating system and flowerpot to observe and analyze the implementation， it also implements the all-weather trusteeship of plants， and at the same time combines intelligent interaction to increase the interest in the process of cultivation.
　　Key words：Arduino UNO; voice interaction; intelligent flowerpot
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