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智能花盆设计报告

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2020年4月19日
文档仅供参考，不当之处，请联系改正。

全国大学生物联网设计竞赛
设计方案

智能花盆管家系统

学校名称：
遵义师范学院
团队名称：
物and悟
第一导师：
葛耿育（教师）
第二导师：
姓名（职称）
队长：
万荣
队员1：
张清
队员2：
况承静
队员3：
任炳贵

全国大学生物联网设计竞赛组委会
5月

诚信承诺申明

本参赛队全体队员及指导教师已认真阅读《全国大学生物联网设计竞赛章程》关于竞赛作品的知识产权之全部条款，郑重申明，在参加全国大学生物联网设计竞赛时所呈交的竞赛作品及作品设计文档均为参赛队员在指导教师指导下独立完成。尽本参赛队所知，竞赛作品及作品设计文档中，除特别加以标注的部分外，不存在侵犯第三方知识产权的内容。竞赛作品及作品设计文档并非由参加其它竞赛之作品及作品设计文档未经改动直接参赛；如作品确参加过其它竞赛的，本参赛队承诺参加本次比赛之作品已经过较大改动。

指导教师签名：葛耿育

日期： 5 月25日

智能花盆管家系统

摘 要
本次设计的花盆自动浇水系统包括土壤温湿度、酸碱度的检测和自动向蓄水器加水以及运用nRF905无线传输模块传输数据实现手机app控制功能。土壤温湿度和酸碱度的检测以数字温湿度传感器SHT-11和土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T为感应部件，与ADC0809相连接配合两个电位器作为感应电路，将采集到的土壤温湿度值和酸碱度值送入AT89C51单片机，在AT89C51单片机数据处理后经过nRF905无线传输模块发出具体操作指令。自动浇水设计为智能和手动两个部分，智能浇水部分是经过AT89C51单片机程序设定浇水的上下限值与检测到送入AT89C51单片机的数值相比较，当低于下限时，AT89C51单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限时再由AT89C51单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水；手动部分是由手机app下发指令给AT89C51单片机设定浇水的水量与营养液添加量。这样能够按时浇入营养液。蓄水箱自动上水及水位报警采用硬件电路控制，实现水箱水位实时监测、自动上水及水位上下限报警的功能。

关键词：AT89C51单片机 nRF905无线传输 数字温湿度传感器SHT-11 PH值检测传感器A-H311-AS002-T

目 录

摘 要 III
第一章 绪论 5
1.1 设计背景 5
1.1.1 需求分析 5
1.1.2 功能要求 2
1.2 所涉技术发展现状 2
1.2.1 国内外技术发展 2
1.2.2 存在的技术问题 2
1.3 创新点 2
1.3.1 主要解决的问题 2
1.3.2 设计内容简介 2
1.3.3 文档框架 3
第二章 系统方案 4
2.1 具体模块划分 4
2.1.1 无线传输模块 4
2.1.2 土壤检测模块 4
2.1.3 机械运作模块 4
2.1.4 软件控制模块 4
第三章 硬件框图 5
第四章 方案总结 5
参考文献 6
致 谢 7

第一章 绪论
1.1 设计背景
随着社会进步，人们生活质量越来越高，在家里养养花草能够陶冶情操、丰富生活，在人们享受生活的同时，花草能够经过光合作用吸收二氧化碳，净化我们生活的环境，在有花草的地方空气中的阴离子聚集较多，因此空气也特别清新，而且有些花草还能够吸收一些空气中的有害气体，因此，养养花草如今被许多人喜爱。
花草浇水量是否能做到适量，是养花成败的关键。可是，在生活中人们总是会有无暇顾及到时候，比如工作太忙、出差、旅游等，花草的许多生长问题都是由于浇灌问题引起的。有时候，工作者们想要养花草，希望自己的家里有绿色，看起来有生机。可是，无奈与自己没有时间照料，因此一直徘徊在养不养花的边缘。还有一类朋友是想养花草，可是苦于不会照顾，因此也只能无奈感叹。在市面上也有一些花盆自动浇水器，可是它实现的只是按时浇水，和提示作用，并没有监控出花草什么时候需要浇水，只是按照设定的时间进行没有感知的浇水，还有的花盆只是提示人们浇水，实际操作还是需要人们亲自动手完成。家里无人时，哪怕提示也无法给花草浇水。因此，我们想设计一种集花盆土壤的温湿度检测，自动浇水及储蓄水箱自动供水，按时补充营养液于一体的自动浇水花盆系统。让人们无暇顾及是也能及时的浇灌，让不会养花草的朋友无后顾之忧，让家里轻轻松松有绿色，快快乐乐有生机。
1.1.1 需求分析
（1） 室内种植植物，势必须要用花盆来盛放，如果用普通的花盆的话，需要定期浇水，可是，多久浇一次，浇多少是个头疼的问题。浇多了不但浪费水，而且植物会被“淹死”，浇少了，植物又会枯死。
（2） 植物对于其所处的环境因素比较敏感。如湿度、温度等都会影响花的生长。普通的花盆不能很好的控制这些因素。
（3） 有时候我们需要在外地出差或者出外旅行，这样家里的盆栽就没有人照料了。
（4） 基于上述原因，智能花盆就应然而生了。
1.1.2 功能要求
（1） 智能花盆应能随时监测植物所处环境的湿度、土壤酸碱度和光照强度。
（2） 智能花盆应能根据植物的需求，控制水量和土壤酸碱度。
（3） 智能花盆应能将所测信号转换成数字信号（如图像）或者声音信号。
（4） 智能花盆应能自动工作，即自动浇水或放水和添加一定的营养液。

1.2 所涉技术发展现状
1.2.1 国内外技术发展
随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传输模块来收发数据。国际上有基于GPRS的无线数据传输模块、基于ARM的无线数据传输模块、蓝牙无线传输模块、ZigBee无线传输模块等。
当前国际上的一些关于土壤温湿度的检测技术有：基于无线传感器的农田温湿度检测、基于GPRS的茶园远程监测系统、基于ARM的土壤温湿度检测器。

1.2.2 存在的技术问题
①　 模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，收发环境有关。在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。
②　 电数据信号与发射模块输入端能用电容耦合会导致发射模块将不能正常工作。

③　 如何检测土壤的温湿度及酸碱度的值并把检测到的数据传送到单片机；
④　 单片机怎样处理传感器传送过来的数据；
⑤　 单片机怎样把处理好的数据结果反馈给用户。
1.3 创新点
经过物联网无线传输技术实现花盆的智能控制，将浇水和添加一定的营养液功能实现以及经过智能提醒或管理将我们没时间养花，不会养花等问题以智能的方式解决，我们还增加了手机app应用功能，使得整个系统更智能更加适宜当前社会应用。

1.3.1 主要解决的问题
解决城市养花人因无时间或经验不足照顾不好花草时帮助养花人检测花盆温湿和酸碱度，提醒养花人何时需要浇水和需要多少水分。起到辅助养花人管理盆栽的作用。同时运用app软件达到虚拟事物现实化的特殊意义。
1.3.2 设计内容简介
整个系统经过数字温湿度传感器SHT-11和土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T从土壤中测出数值由nRF905无线传输到AT89C51单片机进行数据处理将的出结果一方面发到手机app，另一方面得出指令，此人们能够直接手动远程控制或让单片机自动控制，经过AT89C51单片机程序设定浇水的上下限值与检测到送入AT89C51单片机的数值相比较，当低于下限时，AT89C51单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限时再由AT89C51单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水；使电动阀运作达到加水加营养液的作用。蓄水箱自动上水及水位报警采用硬件电路控制，实现水箱水位实时监测、自动上水及水位上下限报警的功能。
1.3.3 文档框架
本文共分为四章，每章的主要内容如下：
第一章为：序言设计背景、需求分析、国内外相应技术发展情况以及创新点等

第二章为：具体系统的设计方案

第三章为：整个系统的硬件框图

第四章为：设计总结

第二章 系统方案
无线传输模块
土壤检测模块
2.1 具体模块划分

机械运作模块
单片机控制模块

系统方案根据不同的功能实现进行相应的模块划分，共化为了四块，分别是：
数据进行无线传输）、软件模块控制（经过软件对系统一些功能进行具体控制）、机械运作模块（系统中的机械运作部分如：开关阀门等）
2.1.1 无线传输模块
选用的无线传输模块是nRF905，利用nRF905的ShockBrusrTM接收模式接收其它模块传来的数据和ShockBrusTM发送模式将接收到的数据发送给其它需要数据的模块。
ShockBrusrTM接收模式：当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。
ShockBrusTM发送模式：nRF905自动产生字头和CRC校验码(循环冗余码校验)，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
整个系统的数据流动将主要依靠nRF905无线传输模块中的ShockBrusrTM接收模式和ShockBrusTM发送模式进行，以此来使正个系统各项指令的能快捷方便的传输。其主要应用于土壤检查模块、单片机控制模块和手机app之间的数据交换充分的利用了物联网无线传输技术。

2.1.2 土壤检测模块
土壤数字温湿度传感器SHT-11：土壤中的体积含水量与土壤表现出来的介电常数成固定的某种函数关系，几乎与土质和水里所含的盐分无关。那么采用频域测量方法，测量中间探针与两侧探针之间的电容量，该电容与介电常数成正比，经过AD转换、单片机运算处理、非线性矫正和DA转换输出，即可获得与土壤体积含水量成正比的线性电压输出。
土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T：土壤酸碱度传感器采用高灵敏度电解质，而且采用抗污的聚四氟乙烯环形液接界可长期在线检测。电极使用时可根据不同的场合，采用不同的电极敏感膜，在不同条件下进行PH的测量。A-H311-AS002-T智能数字传感器采用高精度PH电极，支持标准MODBUS RTU/ACSII工业数据总线协议，采用RS-232/RS-485接口输出能够完成PH数据采集、外部命令校准，自动温度补偿等功能，用户可自定义查询地址，波特率设置。
经过将土壤数字温湿度传感器SHT-11 和土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T收集到的数据接入无线传输模块将数据传到单片机控制模块。
2.1.3 机械运作模块
此模块分为电动阀部分和指令接收部分：电动阀即电磁阀，就是利用电磁线圈产生的磁场来拉动阀芯，从而改变阀体的通断，线圈断电，阀芯就依靠弹簧的压力退回。 电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器；并不限于液压，气动。电磁阀用于控制液压流动方向一般都由液压钢控制，因此就会用到电磁阀。因此我们设计的水箱和营养液箱都是靠电动阀来实现对水和营养液的具体需求量的智能控制，而控制的指令完全是由中心控制AT89C51单片机经过指令接收部分实现。
2.1.4 单片机控制模块
经过给AT89C51单片机进行程序编程让AT89C51单片机实现对土壤数字温湿度传感器SHT-11 和土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T收集到的数据进行分析处理功能以及实现经过nRF905无线传输的ShockBrusrTM接收模式和ShockBrusTM发送模式实现手机app之间的指令处理。此模块主要功能在于程序设计部分在此就不做详细介绍了。总而言之它相当于整个系统的大脑有处理数据与智能下达指令的功能。
电源
营养液箱
水箱
数字温湿度传感器SHT-11
土壤ph值检测传感器

第三章 硬件框图

电动阀控 制器

nRF905无线收发器

手机app

AT89C51单片机

电源

第四章 方案总结
本次设计的智能盆花管家系统以电子类的自动浇花器的工作原理为参考，运用温湿度采集电路及单片机控制技术构成一个土壤温湿度和酸碱度采集、无线传输系统与控制系统。再用数字电路控制自动给水系统及时的浇水系统供水。整个智能盆花管家系统包括土壤温湿度的采集和数据分析处理两个个部分。土壤温湿度的采集和酸碱度的采集以ADC0809配合两个电位器为感应电路，以数字温湿度传感器SHT-11和土壤PH值检测传感器A-H311-AS002-T为感应部件，将检测到的土壤温湿度值送入AT89C51单片机，AT89C51单片机进行处理数据，再由nRF905无线传输模块发出具体操作指令。同时此湿度值酸碱度值也是是否给盆花浇水和添加营养液的参考值。它设计为智能和手动两个部分：智能浇水系统是经过单片机程序设定浇水的上下限值并与温湿度采集电路送入单片机的土壤湿度值相比较，当传感器检测到的湿度值低于设定的下限值时，AT89C51单片机输出一个信号，开始浇水，高于设定的上限值时再由单片机输出一个信号，停止浇水；手动部分是由单片机从接收手机app指令，经过软件程序设定浇水的水量。
经过本次参赛设计，让我进一步了解了微电脑控制的智能系统。也使我真正接触到了检测控制系统的设计，虽然是一个人们日常生活中的小系统，但也让我明白了很多设计上应该注意的问题。比如实用性、经济性以及安装条件等。
参考文献
[1] 王智, 潘强, 邢涛. 面向物联网的实体实时搜索服务综述[D].中国科学院上海微系统与信息技术研究所. .
[2]机械工业出版社《物联网技术概论》
[3]刘云浩.编著.《物联网导论》
[4]无线模块．工业无线模块
[5] Nordic官方网站对于nRF905的介绍 ．nRF905官方网站
[6] 李朝青. 单片机原理及接口技术(简明修订版)[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.
[7]匡宇国. 智能传感器SHT11及其在便携式温湿度检测仪中的应用[J].电子器件, ,(04).doi:10.3969/j.issn.1005-9490. .04.082.
[8] 李全利. 单片机原理及应用技术[M].2版.北京:高等教育出版社, .
致 谢
经过近一个月的时间，本次参赛设计已接近尾声。在这个过程中我们遇到了许多的困难，有专业知识的不连贯，也有硬件选择时的实践经验不足等。不过，在老师和同学的帮助下，这些问题都得到了很好的解决。在这里，我要感谢指导老师葛耿育在我们做参赛设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计等整个过程中所给予我悉心指导。感谢学院的每一位老师对我的帮助。同时也要感谢我们的同学将收集到的有关盆花自动浇水系统的资料给我，让我们的设计有了更多的参考。