【《基于单片机的花卉养护智能监控系统设计》13000字（论文）】

第1章绪论PAGEPAGE24基于单片机的花卉养护智能监控系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u9750摘要 I89091绪论 192081.1背景意义 1128331.2国内外研究现状 1113501.3研究内容 36642元器件选择及介绍 4226262.1单片机模块的选用及介绍 4307352.2温度功能模块 566072.3土壤湿度功能模块 6212032.4光敏电阻 7231452.5色环电阻 8172652.6液晶显示模块 10231452.7Zigbee模块 1162003系统的硬件电路设计 14256133.1需求分析 14256133.2系统的总体方案 14241773.3STM32F103C8T6单片机模块的设计 16146053.4DS18B20温度传感器模块的设计 17146053.5TRSD土壤湿度传感器模块的设计 18146053.6照度功能模块的设计 18249733.7LCD1602液晶显示器模块的设计 19158763.8Zigbee模块的设计 19271144系统软件设计 20207894.1系统总体设计方案 207224.2温度功能模块程序设计 2080434.3土壤湿度功能模块程序设计 2194814.4照度功能程序设计 2267205实物搭建及功能测试 2391315.1系统的测试 23145035.2温度功能模块 23247425.3土壤湿度功能模块 259615.4照度功能模块 2664926总结与展望 28110596.1总结 28203256.2展望 288349参考文献 2921180附录 31摘要随着国民经济的快速发展和人民物质、文化和基本生活水平的不断提高，室内花卉逐渐成为现代人民日常生活的乐趣，但是由于人们日常忙于工作，对花卉疏于管理，所以为了使人们可以更加方便的护理花卉，设计一款便捷、性价比高、功耗低的智能监控系统显得尤为重要。本课题研究设计的花卉养护智能监控系统，采用STM32F103C8T6为控制核心，用DS18B20传感器、TRSD传感器、光敏电阻实现采集室内温度、土壤湿度及光照度等信息，利用Zigbee模块将传感器采集到的信息通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当采集到的温度、土壤湿度及光照度的值不在设定阈值内时，会触发报警系统，蜂鸣器鸣叫，从而实现智能监控系统的控制。关键词：花卉养护；STM32F103C8T6；智能控制；无线传输1绪论1.1背景意义花卉是美的象征，在园林中具有绿化、美化的作用，而且还可以作为香化的重要材料。现在人们将在室内养花作为日常生活的一种乐趣，花卉不仅有益于人的身心健康，还能净化室内空气，提高周围空气湿度，而且有些花香植物散发的菇烯类气体能杀死一些致病细菌[1,2]。花卉的生长条件主要受温度、土壤湿度、光照度等因素所影响。由于人们日常忙于工作，对花卉疏于管理，所以为了使人们可以更加方便的护理花卉，设计一款便捷、性价比高、功耗低的智能监控系统显得尤为重要[3-5]。高温对花的损害因花的种类不同，就大多数花卉来说，大多花卉的最高温度点是在30-40℃。在这个温度下，花会被损伤，许多生理异常，如光合作用被抑制、叶片坏死、叶绿素损伤、叶片颜色变棕色、黄色等。这是因为高温导致叶绿素活性的丧失，凝结了细胞中的原质，营养被消耗，而且不能补充，致使花卉枯焦而死[6-8]；同理低温对花的损害因花的种类不同。低温会引起花卉冷害，冷害导致光合机构叶绿体的结构和功能受到破坏，降低花卉的光合作用，从而使花卉生长缓慢，水分和营养物质运转速度减慢[9-11]。只有土壤水分适宜，根系吸水和叶片蒸腾才能达到平衡状态。土壤湿度过低，花的光合作用无法正常进行，会降低花卉的品质；土壤湿度过高，阻碍作物根的呼吸和生长，花卉将遭受窒息，最终死亡[12,13]。根据花的照度需求不同分为三种[14,15]：阳性花卉喜欢强烈的光照，不耐阴，若光不够，会形成花枝条长，嫩枝弱，花小色浅，甚至不能开花；中性花喜欢充足的阳光，但在有一点阴影的地方也能正常生长发育，开花结果；阴性花大多数室内观叶的花都属于这种，这种花草需要避开夏季阳光直射，太强的阳光会导致花烧焦。市场上已有很多花卉养护智能监控系统的装置，但大多功耗和成本都较高，因此，应该设计一个轻便可靠、耗能低、性价比高、功能较完备的花卉养护智能控制系统[16-19]。1.2国内外研究现状从国内外的花卉养护智能监控系统技术的发展状况分析来看，花卉养护智能监控系统的应用技术大致可以分为三个阶段：手动控制

该控制方法在花卉的维护和监测中人工调节环境参数。种植者采用人工控制，为了处理各种花卉的生长状况是最直接、最快速、最有效的，完全符合传统花卉生产经营规律。但这一控制方式的劳动生产率相对较低，对种植者的要求很高[20]。

2、自动控制对于该生产的控制系统，计算机可以将实际测量值与预设的目标值进行比较，以确定花卉维护监控系统中环境因素的控制过程。计算机花卉自动监控系统技术具有花卉自动生产能力，适合大规模生产。通过改变监测系统环境设定的目标值，可以自动调节内部环境和气候，但该控制方法难以改变花卉的生长状态，难以干扰影响花卉生长的内部规则[21]，该自动控制架构图如图1.1所示。图1.1自动控制架构图3、智能化控制传统花卉生长环境的温度、湿度、光强度、土壤湿度等环境参数是根据经验进行人工测量或判断，存在效率低、测量不准确的问题。目前，现代智能控制系统已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准。主要是由传感器技术所支持的根据不同时期花卉土壤旱情变化而实施的一套现代化种植和管理系统。通过传感器对植物的各个生长环境参数进行监测，对采集到的数据进行了分析，处理，最后通过外围装置的控制方式对植物生长环境的各个参数进行调控。花卉养护的质量控制需要一套全面的质量控制体系，只有专业的系统才可以实现[22-24]，智能控制系统架构图如图1.2所示。图1.2智能控制系统架构图虽然当下花卉养护的智能控制系统发展迅速，但功耗和成本都较高。为此，有必要研制一种相对轻便可靠、耗能低、性价比高、功能较完备的花卉养护智能控制系统，在能够自动监控当前环境参数的同时，智能控制，以改善花卉生长的环境条件，使其保持在适宜的范围区间。1.3研究内容根据国内外的研究发展现状，本课题主要研究温度、土壤湿度、光照度对花卉生长的影响。设计的该花卉养护智能控制系统为了解决花卉养护过程中受环境参数影响和人们日常都忙于工作对花卉疏于管理的问题，为了使人们更好的对花卉进行养护，针对花卉的实际需求，设计一个简单、便捷、造价低且能功能完备花卉养护智能控制系统。该系统的设计与实现以单片机为核心，采用温度传感器将检测得到的温度值利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，通过对比设置的阈值，如果温度值不在其设定的阈值内，那么蜂鸣器就会报警；采用湿度传感器，将检测得到的土壤湿度值利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当检测到的土壤湿度值不在设定阈值内时，蜂鸣器报警；采用光照采集器，将检测到的照度值利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当光照度值不在设定的阈值内时，蜂鸣器报警，以实现对花卉生长环境的控制。第2章元器件选择及介绍PAGEPAGE242元器件选择及介绍2.1单片机模块的选用及介绍通过对比表2.1的STM32F1系列单片机，STM32F103具有卓越的电源控制，优越创新的外设，最大限度的集成。该智能控制系统采用STM32F103C8T6单片机来满足系统的各种需要。STM32F103C8T6单片机的外观如图2.1所示。单片机主要性能特征定位STM32F100Cortex-M324MHz多达32K字节SRAM多达512K字节Flash三相电机定时器CEC超值型产品STM32F101Cortex-M332MHz多达80K字节SRAM多达1M字节Flash基本型产品STM32F102Cortex-M348MHz多达16K字节SRAM多达128K字节FlashUSB2.0全速设备USB基本型产品STM32F103Cortex-M348MHz多达80K字节SRAM多达1M字节FlashUSB2.0全速设备三相电机定时器CAN2.0BSDIO2个I2S增强型产品表2.1STM32F1系列单片机性能的比较图2.1STM32F103C8T6外观图STM32F103C8T6单片机方便我们设计实验系统的每个实验项目所需的外围可扩展电路。控制芯片在单片机相关课程的基础上操作方便，广泛应用于工业和医疗仪器中，具有良好的理论学习和实际研究价值。STM32F103C8T6基本参数如表2.2所示。表2.2STM32F103C8T6基本参数类别：集成电路家庭：嵌入式-微控制器芯体尺寸：32-位速度：72MHz输入/输出数：37程序存储器容量：64KB（64K×8）程序存储器类型：FLASHRAM容量：20K×8电压-电源（VCC/VDD）：2V~3.6V数据转换器：A/D10×12b振荡器类型：内部2.2温度功能模块2.2.1温度传感器简介通过表2.3，DS18B20温度传感器比起DHT11温度传感器测温范围更广、测量精度更加精确。除此之外，DS18B20温度传感器还可以内置EEPROM，限温报警功能。它有多样封装形式，适应不同硬件系统。该花卉养护智能监控系统主要是为了更加精准地测量室内环境的温度变化对花卉养护的影响，为保证花卉能够处于一个最佳的温度范围内生长，该智能花卉养护智能监控系统采用DS18B20传感器。表2.3DHT11与DS18B20的技术参数对比DHT11工作电源3.3-5.5VDC输出单总线数字信号测温范围0-50℃测量精度±2℃分辨率1℃DS18B20工作电源3.0-5.5V/DC输出单总线数字信号测温范围－55℃-125℃测量精度±1℃分辨率0.5°CDS18B20温度传感器的两种封装使用方式都是一样的，不需要任何外围元件。第一个是直接外露芯片，主要用于气温监测；第二个是不锈钢管密封安装，可防水。在本设计中选择了第一个芯片。两个DS18B20都是普通温度传感器，可选择于特定的环境设置。第一种DS18B20可广泛应用于非极端温度环境；而第二种DS18B20具有耐磨、耐阻，适用于较窄空间设备的数字温度测量领域和控制领域。两种温度传感器的实物图分别如图2.2、2.3所示。图2.2DS18B20传感器裸露实物图图2.3DS18B20传感器防水实物图2.2.2温度传感器的工作原理DS18B20温度传感器具有3引脚TO-92小体积封装形式，可编程为9位~12位A/D转换精度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出：其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。本设计中利用DS18B20温度传感器的工作原理，DS18B20温度传感器将采集到的信号转换为标准电信号，并将信号传输至单片机分析和判断，然后通过无线传输反馈到液晶显示屏上，若检测到的室内温度值不在设定的阈值内，就会触发报警系统，从而引发蜂鸣器的鸣叫。2.3土壤湿度功能模块2.3.1土壤湿度传感器简介DHT11传感器的湿度测量范围只有20%-90%，而TRSD传感器的测量湿度范围大于90%，该花卉养护智能监控系统主要是测量土壤湿度对花卉养护的影响，为了保证花卉能在一个适宜的土壤湿度范围内很好地生长。结合设计要求选用镀镍处理且测量范围更大的TRSD土壤湿度传感器，有利于扩大传感器的灵敏度和感应范围，提高导电特性，防止与土壤接触生锈和缩短使用寿命。传感器的实物图如图2.4所示，3线路控制接线方式说明如表2.4所示。图2.4土壤湿度传感器实物图2.3.2土壤湿度传感器的工作原理该传感器可以控制相应的阀值,湿度低于设定值时，DO输出高电平；湿度高于设定值时，DO输出低电平。传感器模拟输出接口AO引脚连接到AD模块，通过AD转换可获得更准确的土壤湿度值。模块中的蓝色电位计可用于调节土壤湿度，往顺时针的方向控制湿度越大，逆时针方向控制湿度越小。该模块接口如图2.5所示。图2.5模块接口该花卉养护智能监控系统中利用TRSD土壤湿度传感器的工作原理，土壤湿度传感器将采集的信息传输至单片机，转换成标准电信号，对其信号进行分析和判断，然后通过无线传输反馈到液晶显示屏上，若检测到的土壤湿度值不在设定的阈值内，就会触发报警系统，从而引发蜂鸣器的鸣叫。2.4照度功能模块2.4.1光敏电阻简介选择光敏电阻用在设计的各种光控制电路时，直接利用白炽灯或自然灯作为控制的主要光源，可直接照射在其光明电阻上，改变相应的照度值，简化电路设计。该光敏电阻器随入射光的强度而变化，如果入射光越弱，电阻就会减小，入射光就越强，电阻就会增加。光敏电阻器通常应用于光的测定、光的控制和光电的转换。光敏电阻对光的敏感度就像人眼能直接感觉到入射光，就会直接导致其电阻值的变化。其光敏电阻实物图如图2.6所示。图2.6光敏电阻实物图2.4.2光敏电阻的工作原理利用光敏电阻的工作原理，光线越强，电阻值就越低。随着光强度的增加，电阻值迅速减小，光电阻值可以小于1KΩ。由于光敏电阻对光非常敏感，它呈现出很高的变化状态，暗电阻通常可达1.5MΩ。该花卉养护智能监控系统测量光照度，主要是利用光敏电阻的工作原理，将光敏电阻采集的信号转换为输出至单片机的标准电信号，对其信号进行分析和判断，然后通过Zigbee模块利用无线传输反馈到液晶显示屏上，若检测到的光照度值不在设定的阈值内，就会触发报警系统，从而引发蜂鸣器的鸣叫。2.5色环电阻2.5.1色环电阻简介色环电阻是表示其电阻值的特定颜色，实际上，色环标准可以帮助人们区分不同的电阻值。现在的应用范围仍然很广，例如，我们经常可以看到家用电器，电子仪器，电子设备。但由于色环电阻相对较大，不满足现代高度集成的性能要求，其色环电阻的实物图如图2.7所示。图2.7色环电阻实物图2.5.2色环识别方法黑，棕，红，橙，黄，绿，蓝，紫，灰，白，金，银，0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，±5%，±10%，倒数第二个环，表示零数，最后一个表示误差。这是有规律的公式，类似于七种彩虹色，黑色为0，棕色为1，红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、紫色和白色分别对应2~9，金和银的误差为5%或10%。色环标识如图2.8所示。图2.8色环识别图2.5.3分类方法色环电阻是现代电子工程控制电路中最常用的新型电子元件，用来表示颜色和误差，无论按照哪个方向都能方便、直观地安装电阻。色环电阻的四个基本单位符号是：欧姆（Ω）、千欧（KΩ）、兆欧（MΩ）。1000欧（Ω）=1千欧（KΩ），1000千欧（KΩ）=1兆欧（MΩ）。带色环的色环电阻表示电阻值和误差，普通电阻为四色环，高精度电阻为五色环。表2.4为色环电阻识别对照关系表。表2.4色环电阻对照关系表颜色数值倍乘数倍乘数误差（%）温度的关系/(×10/℃）棕色110±1100红色2100±250橙色31k－15黄色410k－25绿色5100k±0.5－蓝色61M±0.2510紫色710M±0.15灰色8－±0.05－白色9－－1黑色01－－金色－0.1±5－银色－0.01±10－无－－±20－2.5.4主要参数1、标称电阻：色环中电阻上的标称电阻上的电阻值称为标称值。单位：Ω、kΩ、MΩ。标称值按照国家标准进行标记，并不是厂家随意标注的。并不会出现所有的色环电阻值，全系列色环电阻阻值如表2.5所示。表2.5全系列色环电阻阻值1Ω1.1Ω1.2Ω1.3Ω1.5Ω1.6Ω1.8Ω2.0Ω2.2Ω2.4Ω2.7Ω3.0Ω3.3Ω3.6Ω3.9Ω4.3Ω4.7Ω5.1Ω5.6Ω6.2Ω6.8Ω7.5Ω8.2Ω9.1Ω10Ω11Ω12Ω13Ω15Ω16Ω18Ω20Ω22Ω24Ω27Ω30Ω33Ω36Ω39Ω43Ω47Ω51Ω56Ω62Ω68Ω75Ω82Ω91Ω100Ω110Ω120Ω150Ω160Ω180Ω200Ω220Ω240Ω270Ω300Ω330Ω360Ω390Ω430Ω470Ω510Ω560Ω620Ω3.6k3.9k4.3k4.7k5.1k5.6k6.2k6.8k7.5k8.2k9.1k10k11k12k13k15k16k18k20k22k24k27k30k33k36k39k43k47k51k56k62k68k75k82k91k100k110k120k130k150k160k180k200k220k240k270k300k330k360k390k1.5M1.6M1.8M2.0M2.2M2.4M2.7M3.0M3.3M3.6M3.9M4.3M4.7M5.1M5.6M6.2M6.8M7.5M8.2M9.1M10M22M－－－－功率：1/4W1/2W1W2W3W2、允许的误差：色环电阻的实际电阻的最大允许偏差称为允许误差，其误差代码为：F、G、J、K…，常见的各种误差为：0.05%，0.1%，0.25%，0.5%，1%，2%，5%，10%。3、额定功率：指特定条件下，周围空气循环不正常，长期连续工作无损坏或基本不需要改变其色环阻力特性时所消耗的额定功率。常见的如：1/16W、1/8W、1/4W、1/2W、1W、2W、5W、10W。2.6液晶显示模块的选用及介绍显示屏有现场显示和字符显示。现场显示与LED显示类似，只要将相应的信号发送到相应的引脚，就可以显示，并且字符显示根据需要显示特定的基本字符。该花卉养护智能监控系统使用字符类型显示，在系统中用作显示设备来输出相应的信息。与传统的LED数字管显示装置相比，LCD显示屏具有体积小、内容丰富、不依赖外部驱动电路的优点。目前该新型液晶显示模块已成为液晶单片机各种应用软件设计中最常见的显示元件。LCD显示屏可以容下16个字，实物图如图2.9所示，主要技术参数如表2.7所示。图2.9LCD1602实物图表2.6LCD1602液晶显示器模块的主要技术参数显示容量16×2个字符工作电流2.0mA最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95×4.35（W×H）mm2.7Zigbee模块2.7.1Zigbee模块的简介通过表2.8的对比，虽然Zigbee在速率上比不上Wifi，但是在功耗上远小于Wifi，结合本次设计需求选用Zigbee无线传输模块。根据国际标准的相关规定，ZigBee通信技术主要是指短距离、低功耗的无线传输技术，适合广泛应用于工业自动化遥控领域，可嵌入各种设备。表2.7无线传输模块参数对比Zigbee传输距离50-300M速率250kbps功耗5mAWifi传输距离100-300速率300kbps功耗10-15mACC2530是一种应用于ZigBee上系统(SoC)的解决方案，它结合了领先的射频收发器的卓越性能，这是CPU系统中一个行业标准增强的8051可编程闪存的解决方案。DL-20模块能够在2400MHZZ-2450MHZ公共频段中工作。该传输模块的特点是TI的CC2530芯片，特定的型号CC2530F256RHAR。根据IEEE802.15.4协议，传统的串行口设备可以实现无线传输，取代复杂的布线工作。其DL-20模块实物图如图2.10所示，DL-20模块参数如表2.9所示，DL-20模块全双工数据透明传输如图2.11所示。图2.10DL-20模块实物图表2.8DL-20模块参数串口数据传输速率最高2200Bps发射功率4.5dBm接收灵敏度-97dBm点对点误比特率0.00%天线接口内阻PCB天线工作温度-40℃-80℃宽电源电压3-5.5V图2.11DL-20模块全双工数据透明传输图2.7.2DL-20模块的工作模式该花卉养护智能监控系统主要是选用点对点的工作模式，DL-20模块可进行双向和高速数据在线传输。在点对点工作模式下，串行口分为A终端和B终端，发送的数据从A终端发送到B终端。接收到的数据B端将其发送到串行端口，反之亦然。此模式下的同一通道仅允许两个节点相互通信，当发送数据时，模块右侧的红灯持续闪烁，点对点工作模式如图2.12所示，L-20模块接口说明如图2.13所示，DL-20模块状态指示灯说明如表2.10所示。图2.12点对点工作模式图图2.13DL-20模块接口说明图表2.9DL-20模块状态指示灯说明工作的模式点对点的工作模式广播的工作模式上电的状态A模块左侧的红灯亮和右侧的绿灯亮，B模块两个绿灯都亮所有模块都是左侧的红灯和左侧的绿灯亮发送数据时的状态发送端模块右侧的红灯闪烁发送端右侧的红灯会闪烁收到数据时的状态无指示灯指示右侧的绿灯会闪烁第3章系统硬件电路设计PAGEPAGE243系统硬件电路设计3.1需求分析室内花卉已成为现代人民日常生活的一部分，由于人们日常忙于工作，对花卉疏于管理，不能使花卉得到更好的照料，设计一款能够对不同花卉进行实时监控的智能系统，可以让人们节省时间、精力。花卉的生长条件主要受温度、土壤湿度、光照度等因素所影响。温度：高温会抑制光合作用，导致叶绿素丧失活性；低温会引发冷害，降低光合作用，影响花卉生长；土壤湿度：过高的土壤湿度，会阻碍花卉呼吸，导致花卉死亡；过低的土壤湿度，无法进行光合作用，降低花卉的品质；光照度：不同花卉对照度需求不同。阳性花喜欢强列光照；中性花喜欢充足且不强烈的光照；阴性花只喜欢温和的光照。以绿萝为例，对影响绿萝生长的各个环境参数进行分析：温度：绿萝的室内最佳生长温度一般为20-25℃。过低的温度很可能导致叶片冻伤；过高的温度容易导致绿萝出现叶黄、烂根等现象；土壤湿度：绿萝的最佳土壤湿度一般在50%-95%。当土壤湿度过低时，会降低生长速度；当土壤湿度过高时，盆土积水容易引起烂根、枯叶；光照度：绿萝非常喜欢温和的光照，非常害怕强光。在夏季不能将绿萝暴晒，这样会晒伤叶片，要把它移至室内稍微阴凉一点的地方，光照要温和；在冬季可适当的把绿萝移至阳台处晒两个小时左右，不能全天在阳光下晒，容易导致叶片晒伤或出现发黄的现象。针对上述的分析，设计一个针对不同花卉进行实时监控的智能系统，将采集到的数值与设定阈值对比，判断其数值是否在设定阈值内，在的话就不会触发报警系统，不在的话就会触发报警系统，引发蜂鸣器持续不断的鸣叫。3.2系统总体设计方案该智能监控系统分为两部分设计，即硬件和软件。硬件涉及到元器件的选择，需要考虑相应的成本以及选择的元器件是否能够让系统平稳运行的问题。硬件划分为两个部分：数据节点采集部分的硬件系统由单片机、温度传感器、土壤湿度传感器、光敏电阻、Zigbee模块等部分构成；而中控接收端部分的硬件系统则由单片机、LCD显示屏、Zigbee模块、按键以及蜂鸣器组成。该系统的目的是利用无线传输点对点的的工作模式设计一个基于单片机STM32F103C8T6的花卉养护智能监控系统，利用相应的传感器，以持续不断的监控并显示室内的温度、土壤湿度、光照强度的数值，给花卉提供一个良好的生长环境。该监控系统的整体框架主要由发送端的温度监测模块、土壤湿度监测模块、照度监测模块、电源管理模块与单片机系统构成；接收端主要有LCD显示模块、蜂鸣器、电源管理模块与单片机构成，这两个节点之间利用Zigbee模块进行无线传输，其系统总体框架图如图3.1所示。图3.1系统总体框架在整个监控系统中，主控器就是单片机，系统的正常运行全靠单片机控制。首先，采用电源管理模块进行供电，使系统常规运行。温度监测模块、土壤湿度监测模块以及照度监测模块在上电工作后会将采集到的数据信息传递给STM32F103C8T6进行读取、处理，再通过Zigbee模块利用无线传输给中控接收端，并将测量到的数据反馈到显示屏进行实时显示，实现对花卉养护智能系统的控制。节点采集部分由STM32F103C8T6单片机、DS18B20传感器、TRDS传感器、光敏电阻、Zigbee模块、电源管理模块等组成。电源管理模块为该节点提供相应的电源，电源接通后，该节点利用其传感器将采集到的信息发送到单片机主控器读取、处理，再利用无线传输到另一个中控接收端上。该节点采集电路原理图如图3.2所示。图3.2节点采集电路原理图中控接收端部分由STM32F103C8T6单片机、蜂鸣器、LCD显示屏、Zigbee模块、电源管理模块等组成。电源管理模块为该接收端提供相应的电源，电源接通后，该节点利用单片机主控器通过无线传输的方式接收采集节点部分发送的信息，并将这些接收到的信息反馈到液晶屏上实时显示，当中控接收端收到的数据值未在该系统设定的阈值内时，就会触发报警功能，蜂鸣器发出鸣叫，从而实现该系统的智能控制。该中控接收端电路原理图如图3.3所示。图3.3中控接收端电路原理图3.3STM32F103C8T6单片机模块的设计这两个STM32F103C8T6分别有46个管脚，它们都由电源管理模块、显示模块、相应的传感器模块、时钟及复位电路等构成。要想实现花卉养护智能监控系统各自模块的功能，不要出现任何出错，要注意对应功能管脚的位置，这两个单片机的原理图分别如图3.4、3.5所示。图3.4节点采集单片机最小系统原理图图3.5中控接收端单片机最小系统原理图3.4DS18B20温度传感器模块的设计在电源正极VCC端接入5V的稳压电源，将其引脚1（GND）接地，再将引脚2（DQ）和STM32F103C8T6单片机引脚相连接，引脚2（DQ）与引脚3（VDD）之间串联一个上拉电阻为10K，可实现温度信息的发送、处理，保证DS18B20传感器数据读取更稳定。DS18B20温度传感器将采集到的温度信息利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当测量数值不在设定阈值内，蜂鸣器报警，如图3.6所示。图3.6DS18B20温度传感器原理图3.5TRSD土壤湿度传感器模块的设计在电源正极VCC端接入5V的稳压电源，电源负极GND端接地，DO端（与STM32F103C8T6单片机引脚连接，AO/NC端模拟量输出，以完成高低电平的传输。TRSD土壤湿度传感器将采集到的土壤湿度信息利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当测量数值不在设定阈值内，蜂鸣器报警，如图3.7所示。图3.7TRSD土壤湿度传感器原理图3.6照度功能模块的设计在电源正极VCC端接入5V的稳压电源，电源负极GND端接地，与STM32F103C8T6单片机引脚连接，将其10k电阻与光敏电阻串联。光敏电阻采集室内照度信息后利用Zigbee模块通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当测量数值不在设定阈值内，蜂鸣器报警，实现对光照度的智能控制，如图3.8所示。图3.8照度功能模块原理图3.7LCD1602液晶显示器模块的设计1、第1脚：VSS接地电源；2、第2脚：VDD接5V正电源；3、第3脚：AO与单片机相连；4、第4脚：RS是寄存器，高电平是数据寄存器，低电平是指令寄存器；5、第5脚：RW是一种读写信号线，高读低写。当RS和RW级别较低时，可以写入指令或显示地址；6、第6脚：E端作为一个经常使用的端口，在E端可从高端切换到低端；第7～14脚：D0～D7是控制信号；8、第15～16脚：空脚。该花卉养护智能控制系统使用LCD1602作为显示控制装置来输出该信息，将采集到的各个模块信息实时显示在液晶显示屏上，该LCD1602电路原理图如图3.9所示。图3.9LCD1602显示屏电路图3.8Zigbee模块的设计VCC接电源正极为5V的电压，GND接地，TX为数据输出串口，RX为数据输入串口，其电容的主要作用是滤波，让模块的电源和供电更加稳定，该智能监控系统采用的是点对点的工作模式，将一个节点采集到的信息通过Zigbee模块无线传输到另一个中控端，其电路的原理图如图3.10所示。图3.10Zigbee模块电路图第4章系统软件设计PAGEPAGE244系统软件设计4.1系统总体设计方案系统的软件设计则是以程序形式存在的逻辑文本，而该文本直接影响着系统最终能否实现对应的功能。通过C语言对整个工作流程及实现的功能进行编程，在程序中设置合理的报警阈值，该智能控制系统的软件设计过程首先是将系统进行初始化，STM32F103C8T6向各个传感器发送数据，各自的传感器响应发送的数据，STM32F103C8T6读取相关的数据，并将数字量分别转化为温度值、土壤湿度值、光照度值，当温度、土壤湿度及光照度不在报警阈值内时，蜂鸣器鸣叫，在阈值内时，蜂鸣器不鸣叫，则证明程序编写是正确的，从而完成系统软件设计。本系统的设计基于单片机STM32F103C8T6。系统的主要程序由温度传感器程序、土壤湿度传感器程序和光敏电阻程序构成，如图4.1所示。图4.1系统程序模块组成图系统软件总体设计中各个程序都有各自的功能，无论是哪个环节出现问题，那么系统对应的功能将不能够实现。各个传感器程序的功能如下：1、温度传感器程序：STM32向DS18B20温度传感器发送数据，DS18B20传感器响应发送的数据，STM32读取数据，并将数字量转化为温度值，判断温度值是否在设定阈值内，如果不在阈值内，蜂鸣器鸣叫，证明系统完好；2、土壤湿度传感器程序：STM32向TRSD土壤湿度传感器发送数据，TRSD传感器响应发送的数据，STM32读取数据，并将数字量转化为土壤湿度值，判断土壤湿度值是否在设定阈值内，如果不在阈值内，蜂鸣器鸣叫，证明系统完好；3、光敏电阻程序：STM32向光敏电阻发送数据，光敏电阻响应发送的数据，STM32读取数据，并将数字量转化为光照度值，判断光照度值是否在设定阈值内，如果不在阈值内，蜂鸣器鸣叫，证明系统完好。4.2温度功能模块程序设计在接通电源后，DS18B20传感器的检测模块会通过单片机发送数据，采集信号就会做出反应：采集到的土壤湿度值会及时给单片机发送回相应数字信号，单片机在读取DS18B20传感器返回的温度数字信号后，通过无线传输将其转化为的系统温度参数实时显示到LCD液晶屏上，当监测到的温度值不在系统的设定阈值时，温度监测装置报警，蜂鸣器鸣叫。当温度恢复正常时，蜂鸣器停止响应，过程如图4.2所示。图4.2温度功能模块流程图4.3土壤湿度功能模块程序设计在接通电源后，TRSD传感器的检测模块会通过单片机发送数据，采集信号就会做出反应：采集到的土壤湿度值会及时给单片机发送回相应数字信号，单片机在自动读取TRSD返回的土壤湿度数字信号后，将其转化成的土壤湿度数值通过Zigbee模块利用无线传输至中控端并将其值在LCD屏上显示，当检测到的土壤湿度值不在设定阈值时，土壤湿度监测装置蜂鸣器报警。当土壤湿度恢复正常时，蜂鸣器停止响应，过程如图4.3所示。4.3土壤湿度功能模块流程图4.4照度功能程序设计在接通电源后，利用传感器通过单片机发送数据，采集信号将会做出反应：采集到的光照度会及时给单片机发送回相应数字信号。单片机在读取光敏电阻传递回的数字信号后，通过Zigbee模块利用无线传输将其转化的光照度数值实时显示在LCD液晶屏上，如果当光照度的值不在系统设定阈值时，照度监测装置报警，蜂鸣器鸣叫。当光照度恢复正常时，蜂鸣器停止响应，过程如图4.4所示。图4.4照度功能模块流程图致谢PAGEPAGE245实物搭建及功能测试5.1系统功能测试将已经准备好的该系统硬件实物焊接好，整个智能监控系统主要由两个单片机STM32F103C8T6、DS18B20传感器、TRSD传感器、光敏电阻、色环电阻、蜂鸣器、LCD1602液晶显示屏、Zigbee无线传输模块构成。把各个功能模块相连接，将已经编写好的程序代码通过仿真机烧录至单片机，然后对系统的各个功能模块进行调试看系统是否能够实现相应的功能。我们在测试系统的整个过程中，需要注意在系统运行时所发生的各种问题，要对发生的问题进行及时修正，从而保证整个系统能够正常运行，该硬件实物图如图5.1所示。色环电阻Zigbee模块TRSD土壤湿度传感器光敏电阻STM32F103C8T6单片机DS18B20温度传感器蜂鸣器LCD1602显示屏Zigbee模块按键色环电阻Zigbee模块TRSD土壤湿度传感器光敏电阻STM32F103C8T6单片机DS18B20温度传感器蜂鸣器LCD1602显示屏Zigbee模块按键STM32F103C8T6单片机图5.1硬件实物图以绿萝为例测试各个监测模块的功能是否正常：温度：绿萝适宜生长的室内温度一般在20-25℃。当低于20℃或高于25℃时，超出设定阈值，蜂鸣器报警鸣叫，该系统功能模块正常；土壤湿度：绿萝的土壤湿度一般在50%-95%。当低于50%或高于95%时，超出设定阈值，蜂鸣器报警鸣叫，该系统功能模块正常；光照度：绿萝在夏季的光照温和，一般照度在70-80lx；在冬季可适当的把绿萝移至阳台处晒两个小时左右，不能全天在阳光下晒，光照度一般在85-95lx。当检测到的光照值不在设定阈值内，蜂鸣器报警鸣叫，该系统功能模块正常。5.2温度功能模块以绿萝为例，测试温度功能模块的功能是否正常，按下PCB板上的电源开关，可设置当前的温度阈值为20-25℃，将其与当前检测到温度参数值对比。温度的阈值显示图如图5.2所示；由于当前的温度值为24.8℃在设定阈值20-25℃内，未触发报警系统，如图5.3所示；利用打火机轻轻靠近加热传感器表面的温度，改变当前的温度值，传感器捕捉到当前的温度变化，并反馈到液晶显示屏上进行实时显示，此时检测到的温度值为27℃不在设定阈值20-25℃内，就会触发报警系统，如图5.4所示。说明此温度功能模块正常。图5.2温度的阈值显示图图5.3温度值24.8℃显示图图5.4温度值27℃显示图5.3土壤湿度功能模块以绿萝为例，测试土壤湿度功能模块的功能是否正常，接通电源后，可设置当前的土壤湿度阈值50%-95%，将传感器插入花盆中并检测土壤湿度值与当前检测到的参数值对比。土壤湿度的阈值显示图如图5.5所示；由于当前检测到的土壤湿度值47%不在设定阈值50%-95%内，蜂鸣器报警，如图5.6所示；现在往花盆中加水，改变当前的土壤湿度值，将当前检测到的土壤湿度值60%实时显示在液晶屏上，由于此时的土壤湿度值在设定阈值50%-95%内，蜂鸣器不报警，如图5.7所示。则此土壤湿度功能模块正常。图5.5土壤湿度的阈值显示图图5.6土壤湿度值47%显示图图5.7土壤湿度值60%显示图5.4照度功能模块以绿萝为例，测试照度功能模块的功能是否正常，接通电源后，可设置当前的光照度的阈值70-80lx，将其与当前检测到的光照度参数值对比。光照度的阈值装置显示图如图5.8所示；由于此时的光照度值50lx不在设定阈值70-80lx内，蜂鸣器报警响应，如图5.9所示；现在用手电筒照射光敏电阻，改变当前的室内照度值，由于当前监测到的光照度值75lx在设定阈值70-80lx内，蜂鸣器不报警，如图5.10所示。说明此照度功能模块正常。图5.8光照度的阈值显示图图5.9光照度50lx显示图图5.10光照度75lx显示图6总结与展望6.1总结该研究课题针对花卉养护，设计了一个可节省人们时间、精力的花卉养护智能监控系统。本次设计是以单片机STM32F103C8T6为核心，用各种传感器对影响花卉的环境参数进行数据采集，将采集到的数据通过无线传输到中控节点，反馈给显示屏进行实时显示，以便给花卉提供良好的成长环境。该花卉养护智能监控系统具体能够实现的功能如下：1、温度监测模块：利用DS18B20传感器对室内的温度值进行采集，利用Zigbee模块将传感器采集到的信息通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当采集到的温度值不在设定阈值内时，则温度模块报警响应；2、土壤湿度监测模块：利用TRSD传感器对土壤湿度值进行采集，利用Zigbee模块将传感器采集到的信息通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当采集到的土壤湿度值不在设定阈值内时，则土壤湿度模块报警响应；3、照度监测模块：利用光敏电阻对的光照度值进行采集，利用Zigbee模块将传感器采集到的信息通过无线传输到中控端，并能在LCD1602液晶屏上显示测量数据，当采集到的光照度值不在设定阈值内时，则照度模块报警响应。6.2展望本课题还可以扩展土壤酸碱度、土壤温度以及空气湿度对花卉生长的影响。1、大多数花卉在土壤的PH>9或PH<2.5时一般都难以生存。花卉可以在很宽的范围内正常生长，但各种花卉都有自己适宜的PH值，比如阴性花卉的土壤PH值在6-7，它喜欢微酸的土壤环境。当pH超出6-7时，会使营养元素变为不可吸收的状态，引发营养缺素症，致使花卉死亡；当pH在6-7时，一般土壤的质地和阴性花卉的生长状态之间关系非常紧密，这个范围内花卉所需要的土壤养分的有效性最高，有利于花卉吸收利用，所以阴性花的土壤PH值一般在6-7；2、土壤温度与大气温度具有同等重要意义。土温影响土壤水分和空气的移动，有机物质的分解，盐类的溶解以及根系的吸收和种子发芽的能力。多数花卉开花时遇气温较高，阳光充足，则花香浓郁，不耐高温的花卉遇高温时香味也淡。这是由于参与各种芳香油形成的酶类的活性与土壤温度有关。花期遇气温高于适温时，花朵提早脱落。高温干旱条件下花朵香味持续时间短；3、空气湿度对花卉的生长发育有较大影响，这一点常被忽视，殊不知空气湿度过大，易使枝叶徒长、花瓣霉烂、落花，并易引起病虫蔓延。开花期湿度过大，有碍开花，影响结实；空气湿度过小，会使花期缩短，花色变淡。针对上述情况，当前研究土壤酸碱性、土壤温度以及空气湿度和花卉生长状况的关系，具有重要意义。参考文献[1]汪小越.城市园林花卉的养护管理要点浅析[J].南方农业,2020(30):62-63.[2]韩颖,王丹.渭南市园林宿根花卉应用现状[J].现代园艺,2020