简介： 学习物联网一段时间，做过若干练习，但都是从练习角度出发。现在依据实际情况做了个实物，因此就有了这款智能花盆。实现根据土壤湿度进行浇水，以维持在合适水平。

 

 

主要功能：

　　1、收集环境信息（土壤湿度，空气温湿度）上传至阿里物联网平台。
　　2、当土壤湿度低于控制值下限时，自动浇水。
　　3、可以通过安卓应用，设置土壤湿度控制值范围，以及手动浇水。

特点：

　　由于这次开发板设计，加入蓝牙模块，以便配置终端的连网设置(WIFI)，比过往做的练习（固定WIFI信息），更具产品性。
　　这个想法是从家里的小米摄像头应用学习过来的，由于智能花盆是用WIFI网络联网，因此使用蓝牙模块进行WIFI网络配置（SSID，PWD），开发更方便。

设计背景

　　土壤湿度受【灌浇程度，空气温湿度，日照时长，植物生长活跃度】等影响。传统滴灌系统，即使通过定时浇灌，也不一定能够给予植物最合适的土壤湿度环境。
　　设计加入土壤湿度传感器，以获取准确湿度，进行定量水浇灌，以确保土壤保持合适湿度。

开发板设计

1. 系统框架示意图

2. 智能花盆连接图

3. 数据指令流向图

　　说明：初次使用时，[用户]通过[安卓终端]运行应用程序，启动[蓝牙设备]，与智能花盆的[蓝牙模块]，进行配对。配对成功后，便可通过蓝牙通讯，向智能花盆发送WIFI的SSID以及PWD。

采购物料清单

名称	图片	数量	单价	总价	描述
nodeMCU		1	14	14	微处理器
人体红外感应		1	3	3	传感器
蓝牙模块		1	7	7	通信模块
触摸传感模块		2	1	2	传感器
空气温湿模块		1	4	4	传感器
面包板		3	2	6
杜邦线		N	--	--
0.96'OLED显示屏		1	11	11	输出模块
电容式土壤湿度模块		1	8	8	传感器
直流潜水泵		1	3	3	执行设备
自制花洒		1	--	--	自制.。。。 执行设备
单相继电器		1	4	4	执行设备
薄荷		1	4	4	坚强的薄荷一盆
合计				72

 

物联网平台

创建物模型

　　上图说明：属性中的 土壤湿度以及空气温湿控限，是浮点型[上限]与[下限]组成的结构体。实际开发中，仅用到土壤湿度下限，以触发浇水。
　　
　　服务说明：
　　　　浇水服务：响应平台进行浇水，主要用于手动浇水。
　　　　设备参数设置：响应平台进行参数设置，主要用于设置终端运行参数[土壤湿度下限，浇水量]
　　　　上传数据：响应平台，即时进行环境信息上传。
　　事件说明：
　　　　浇水事件：停用了，改用浇水时终端更新属性[浇水记录]，使用0，1区分手动与自动浇水。

代码部分

代码就不贴出来了，仅仅把需要引用的包以及注意事项的作个描述。

一、设备终端开发
　　说明：使用ArduinoIDE 对nodeMCU 进行代码编写以及烧写
　　引用包说明：均在库管理器查询即可

终端功能说明：
　　1、 蓝牙通讯：
　　　　设备与安卓应用APP匹配，以及WIFI网络配置
　　　　逻辑说明
　　　　　　● 先通过USB转串口方法，对蓝牙模块进行初始化，比如

      　主从模式：主             波特率：9600

　 蓝牙名称：Smart_Pot 配对码：8888
　　　　　　● 定义属于自己一套的命令头，命令关键字进行通信，以保障通信准确性，私密性。比如
　　　　　　　命令头：+SP：
　　　　　　　命令关键字：ConnectIOT（连接终端）
　　　　　　　SSID：（WIFI的 SSID内容头） PWD：（WIFI的PWD内容头）等等
　　　　　　● 连接成功后，终端会把烧录好的三元组信息向安卓终端发送并保存，以确保应用与设备之间 一对一的管理关系。

　　2、 WIFI联网：
　　　　智能花盆通电启动或重启后，自动联网。
　　　　逻辑说明：
　　　　　　● 通过蓝牙接收到的WIFI配网信息（SSID，PWD）进行联网，联网成功后，ESP8266将自动保 存SSID以及PWD信息，即使断电亦不会丢失。
　　　　　　● 通过WIFI包提供的网络状态检查指令，在WIFI断网时进行重新连接，实现WIFI断网重连。

　　3、 数据采集及上传物联网平台：空气温度，湿度，土壤湿度
　　　　每15分钟，上传数据至物联网平台
　　　　逻辑说明：
　　　　　　● 空气温湿度直接改写Arduino提供的示例即可。
　　　　　　● 土壤湿度传感器，需要在纯水以及空气中进行一次湿度数据获取湿度100%~0%的电压范围。
　　　　　　● 土壤湿度除了每15分钟上传一次外，在达到控制下限浇水时，马上上传一次，以获取准确的下限触发时间点。

　　4、 LED显示屏：亮屏30秒后，自动关闭，作节能作用

　　当人靠近智能花盆时(1.5米左右)，经由[人体红外传感器]感应，自动点亮屏幕。
　　　　信息显示内容：
　　　　　　环境信息：土壤湿度（%），空气温度（℃），空气湿度（%）
　　　　　　设备状态：WIFI网络状态（WIFI_OK），数据提交状态（POSTed）

　　5、 触摸按键

　　　　按键A：点亮屏幕
　　　　按键B：手动上传数据

　　6、 浇水

　　　　自动执行：
　　　　　　当检测到的实时土壤湿度低于控制下限时，自动按定义浇水量进行浇水。
　　　　　　逻辑说明：
　　　　　　　　● 每次自动浇水至少相隔15分钟。避免浇水后土壤湿度未及时提升，在下一次湿度下限判断时，造成连续触发浇水。
　　　　　　　　● 实质控制范围是大于 0 少于等于控制下限，因为有时接触不良的时候，会出现测量土壤湿度为0，造成误浇水，影响运行。考虑实际运行时，不可能出现土壤湿度为 0 的情况，因此作这个逻辑判断。
　　　　手动执行：
　　　　　　响应来自平台的浇水服务调用。

　　7、 运行参数维护
　　　　响应来自平台的属性修改
　　　　土壤湿度控制下限 以及 浇水量
　　　　逻辑说明：
　　　　　　对属性修改完成后，通过 nodeMCU 的 SPIFFS 进行数值保存持久化。以 确保智能花盆在断电重启后，或者断网时，仍然能以最后配置的属性运行。

二、后台开发
　　1、在阿里租用一台ECS云服务器。
　　2、使用ASP.NET MVC3 开发一个后台，通过TCP/IP以处理安卓终端与阿里物联网平台数据交互
　　相关的开发指引，阿里这边相当详细，不作过多描述。

三、安卓开发
　　功能说明：
　　1、蓝牙配置WIFI
　　　　a) 通过安卓设备蓝牙模块与智能花盆蓝牙模块匹配

　　　　逻辑说明：大抵逻辑在上面设备终端已经说明，仅作简单描述了
　　　　　　安卓扫描周边蓝牙设备，并筛选出指定设备名的列表。通过应用配对码连接完成后，保存来自终端设备的三元组信息。凭此三元组信息与平台交互，以访问及控制终端设备。完成应用与终端匹配的工作。
　　　　　　连接蓝牙时，安卓默认是弹出框，让用户输入配对码。但是这个配对码是用于保护终端设备蓝牙访问安全性，因此需要进行代码隐藏弹出框，并自动配对码发送。
　　　　　　保存本地的三元组信息，目前是以明文保存，进一步开发时，应该是需要加密保存。
　　　　b) 发送需要连接WIFI网络的SSID以及PWD
　　　　　　逻辑说明：大抵逻辑在上面设备终端已经说明，仅作简单描述了
　　　　　　安卓应用对终端设备的操作，必须按定义的命令头及指令关键字进行。
　　　　　　目前发送SSID以及PWD，都是需要手动填写，其实是可以自动发送SSID以及PWD的，但是我未能找到这方面的代码。

　　2、智能花盆控制端

　　　　a) 运行状态显示：定时刷新由花盆每15分钟上传到平台的运行数据
　　　　　　土壤湿度 　　空气温度 　　空气湿度
　　　　b) 运行参数设置:
　　　　　　● 土壤湿度下限 　　　单位：百分比
　　　　　　● 浇水量 　　　　　　单位：秒
　　　　c) 更新环境信息
　　　　　　逻辑说明
　　　　　　由安卓终端通过后台执行物联网平台接口，调用智能花盆服务，即时上传运行数据到物联网平台
　　　　d) 浇水
　　　　　　逻辑说明
　　　　　　逻辑上同，仅调用智能花盆不同服务实现手动即时浇水。

四、整体运行（所在地：广州）
　　代码部分其实好早已经完成开发，但是为了获取稳定数据，花了很长很长时间调试

上图说明：整月的运行情况已经逐渐趋向稳定，其实从12月开始，已经在试运行收集数据，但是遇到大坑，后续会提到，直到1月才有令我产生信心的数据。

 

上图说明：放大1月下半月数据，已经趋向稳定，检测土壤湿度达下限时（60%），自动浇水，能看到土壤湿度拉高的情况。而1-21数据出现异常数据，是由于家里出现停电造成没法自动浇水，从而超过监控土壤湿度下限。
运行参数：土壤湿度下限：60% 浇水量：4.5秒

 

上图说明：浇水记录（0：自动浇水，1：手动浇水）

 

上图说明：空气温度与空气湿度历史数据

总结

遇到的大坑：
　　一、关于传感器：

　　　　这是第一大坑，千万别选购左图这边土壤湿度传感器，我已经玩坏3-4个，基本上2天就腐蚀掉引脚的金属涂层，由于这种传感器的问题，白花了我1个月的时候找原因，都快到要放弃这次设计的地步了，最后才发现是传感器问题。后更换新款的传感器，目前约1月余，传感器尚算稳定使用。

　　二、关于与阿里物联网交互数据，在ArudinoIDE对nodeMCU进行代码烧写时，当需要进行交互时，会出现异常。
　　最终在demo版块的前辈文章中找到方法，十分感谢。
　　https://dev.iot.aliyun.com/demo/detail/169050
　　附上前辈文章链接
　　具体修改内容

　　AliyunMqttArduino库依赖于Crypto库和PubSubClient库，用于MQTT连接
　　修改了PubSubClient库的MQTT最大包长为256和心跳频率为60s

　　三、关于LED显示屏
　　　　网上大多Arduino应用LED案例，大多引用U8glib.h 包，但是实际烧录到nodeMCU的时候，会报错，直到我改用U8g2lib.h 包。

　　四、关于蓝牙模块
　　　　由于蓝牙模块，占用nodeMCU的RX/TX引脚，所以在代码烧写时，先不要给蓝牙模块上电，否则会出现烧写不上的情况。

不足之处：
　　一、传感器取值目前为瞬间值，应该记录若干值，去除最高，最底，取平均值为妥。

　　二、目前开发板，使用杜邦线连接传感器，偶尔会接触不良，后续应该焊到板子上。

 

　　三、上图储水罐应该加个水位传感器，有助提示进行加水。

　　四、由于本人对园艺并不熟悉，没法真正掌握植物的合适土壤湿度范围。后续能对安卓进一步开发，通过拍照上传至智能服务平台（Bai度AI -- 植物识别）进行植株识别，返回植物名称，以及大数据提供光照时长，温度湿度建议等等，更完善系统。

未能解决问题：

　　当通过笔记本USB口给nodeMCU供电的时候，通电即运作。但是通过插座供电时，总是需要按一次nodeMCU上的RST按钮才运作，向大家请教这个问题。

总结：

　　从稳定的运行数据能看到，自动浇水的间隔并没有绝对固定，可以对比当天的空气温湿度，反应植物的生长旺盛情况对土壤湿度的影响，亦体现智能花盆基于实际土壤湿度进行浇水的实际性。
　　过往已经做过NB-IoT的练习，有空会造一个Arduino + 移远BC26的版本。

　　最后的最后，至2020-2-1，智能花盆运作2个月，未曾人工浇水，薄荷~还活着。
　　本人首次发文分享，不足不完善之处，万请指出，感谢。