摘" 要：文章研究了现代生活中养花活动的需求，报告了花卉养护中遇到的定时浇水问题现状，并针对忙碌生活节奏导致的花卉管理不便进行了调查。在此基础上，设计了一套基于Wi-Fi通信的多点位智能浇花系统，该系统由ESP32、ESP8266主控，能够同时满足多点位多花卉土壤湿度监测控制的需求。系统以土壤湿度传感器和水位传感器作为感知层，通过Wi-Fi通信模块与阿里云平台进行数据和指令的传输，使用MQTT协议实现信息交换，并通过阿里云Studio生成用户端APP，以实现对花卉土壤湿度的智能化管理和远程实时监控。该系统不仅为花卉养护提供一种自动化和智能化的解决方案，还展示了物联网技术在智能家居领域的应用潜力。
关键词：Wi-Fi；多点位；智能浇花
中图分类号：TP311" 文献标识码：A" 文章编号：2096-4706（2024）24-0147-06
Design of Multi-point Intelligent Flower Watering System Based on Wi-Fi
ZHANG Tao， DING Yongxian
（Yinchuan University of Energy， Yinchuan" 750100， China）
Abstract： This paper studies the needs of flower growing activities in modern life， reports the current situation of regular watering problems encountered in flower conservation， and investigates the inconvenience of flower management caused by the busy pace of life. On this basis， a set of multi-point intelligent flower watering system based on Wi-Fi communication is designed， which is controlled by ESP32 and ESP8266 and can meet the requirements of soil humidity monitoring and control of multi-point and multiple flowers at the same time. The system takes the soil humidity sensor and water level sensor as the sensing layer， transmits data and instructions through the Wi-Fi communication module and Ali Cloud platform， uses MQTT protocol to realize information exchange， and generates client APP through Ali Cloud Studio， so as to realize intelligent management and remote real-time monitoring of flower soil humidity. The system not only provides an automated and intelligent solution for flower conservation， but also demonstrates the application potential of the Internet of Things technology in the field of smart home.
Keywords： Wi-Fi; multi-point; intelligent flower watering
0" 引" 言
随着现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作和社交，无暇顾及家中或办公室的绿植养护。智能浇花系统应运而生，通过自动定时和定量浇水，为植物提供恰当养护，大大节省了人力和水资源[1]。与传统手动浇水相比，智能系统能根据植物需求和环境湿度进行精准灌溉，避免浪费，与节能环保理念相符[2]。物联网技术的发展助推了智能家居的普及，其中包括基于Wi-Fi的多点位智能浇花系统，这一系统因其便捷智能的特性，展示了广阔的市场潜力。其研发不仅促进技术进步，也为农业智能化和生态城市建设等领域提供了实践案例和技术支持，加深了科技与应用的融合[3]。
1" 系统总体设计方案
本系统主要以水位传感器、土壤湿度传感器作为感知层终端，传输层使用ESP8266和ESP32芯片，两款芯片内嵌Wi-Fi通信模组通过MQTT协议与开源的阿里云平台进行通信，将数据传输至应用层人机交互界面网页终端，网页端与手机APP端远程交互，实现对花盆信息的实时检测与远程控制，并以物联网传输技术将信息汇总至顶层数据库终端，实现对花盆信息的有效采集与存储。花盆湿度监测阈值支持自定义，水阀会根据设置的阈值执行开关功能，实现自动化浇花控制；在手机APP端可以随时开关水阀，监测花盆湿度数据，实现智能化交互。系统总体设计框图如图1所示。
1.1" 集中式多点位智能浇花系统硬件设计
集中式多点位智能浇花系统硬件部分主要以1个滴液式水位传感器和5个电容式土壤湿度传感器作为感知层终端，传输层使用开发板内置的Wi-Fi通信模组通过MQTT协议与开源的阿里云平台进行通信，将数据传输至应用层人机交互界面APP终端，如图2所示。
1.2" 分散式多点位系统硬件设计
分散式多点位智能浇花系统硬件部分主要以1个电容式土壤湿度传感器作为感知层终端，传输层使用开发板内置的Wi-Fi通信模组通过MQTT协议与开源的阿里云平台进行通信，将数据传输至应用层与集中式多点位智能浇花系统同一人机交互界面APP终端，如图3所示。
2" 系统硬件选型
2.1" 开发板与拓展板
集中式多点位智能浇花系统选用ESP-WROOM-32开发板，内含Xtensa@双核32位LX6微处理器，具备强大的处理能力和大容量RAM、Flash存储。分散式多点位智能浇花系统选用ESP8266MOD-D1mini开发板，内含ESP-12F微处理器。HUA-ESP32拓展板（30P）是一款基于HUA-ESP32主板配套使用的扩展板。它为原ESP-WROOM-32开发板提供了更多接口与引脚。
2.2" 水位传感器
本系统采用了Water Sensor滴液式水位传感器，它是一款简单易用、性价比较高的水位/水滴识别检测传感器。传感器通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位。轻松完成水量到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被开发板读取，达到水位监测的功效。
2.3" 土壤湿度传感器
本系统采用了Risym厂家所生产的电容式土壤湿度传感器，这款电容式土壤湿度传感器区别于市面上绝大部分的电阻式传感器，采用电容感应原理来检测土壤湿度。避免了电阻式传感器极易被腐蚀的问题，极大地延长了它的工作寿命。传感器内置稳压芯片，支持3.3～5.5 V宽电压工作环境。通过监测到不同的湿度输出不同的模拟数值，完成土壤湿度到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被开发板读取，达到土壤湿度监测的功效。
2.4" 电磁水阀
本系统选用路昂12 V常闭式电磁水阀，该水阀在通过12 V直流电时，内部电磁线圈产生磁力将阻水阀打开，水流通过。无电流通过时阻水阀关闭，水流阻断。
2.5" 水泵选型
本系统选用了两款水泵，育松电子直流3～5 V卧式小潜水泵用于分散式多点位智能浇花系统的花盆浇水。众诚12 V微型抽水泵用于集中式多点位智能浇花系统的蓄水池供水。
2.6" 显示屏
本系统选用林信世纪0.96寸OLDE显示屏。分辨率为64×128，能显示8 192个像素。使用3.3 V直流供电。
3" 软件设计
3.1" 软件设计总体架构
Wi-Fi通信模组通过MQTT协议与阿里云平台进行通信，可以实现对蓄水池水位、花盆土壤湿度的实时监测与远程控制水泵、水阀[4]。单片机上电后，Wi-Fi模块进行初始化，待信号连接成功后连接云平台，可以进行通信。上位机可以在网页端下发命令，再通过MQTT协议将数据发送到下位机，下位机接收到命令后执行命令，在无上位机指令时，下位机自动判断是否需执行浇花命令。多点位智能浇花系统三层体系架构如图4所示。
3.2" 网络通信模块
本系统选用的开发板都包含Wi-Fi通信模块。系统中Wi-Fi模块通过MQTT协议接入到阿里云平台。首先要知道Wi-Fi的名称和密码用于连接。需要使用串口助手检测能否成功连接Wi-Fi，登连接成功后，就可以通过MQTT协议来实现设备与平台的通信功能[5]。
在系统的设计过程中，采用了基于MQTT协议的报文格式和协议规范，消息协议用C语言封装在ESP-WROOM-32和ESP8266-D1mini中，Wi-Fi模块通过MQTT协议连接到阿里云计算平台，终端模块负责接收和分发数据，并将数据传送到云端平台上的服务器，阿里云物联网平台通过Topic列表中的订阅和发布信息来实现接收Wi-Fi模块发送到信息和下发信息或指令，个人在阿里云物联网平台创立的产品都拥有自己设备的Topic列表。
要发送数据之前，必须连接到代理服务器，建立连接后，必须向云平台发送连接请求。确认授权连接后，终端根据MQTT的格式要求对主题、消息内容进行封装，然后终端将数据发送给代理服务器并返回确认信息，实现数据的发布[6]。用JSON作为中间格式进行数据交换，实现了MQTT与ESP之间的协议转换使下位机订阅Wi-Fi模块接收的服务器信息[7]。
上位机将数据下发给MQTT服务器后，阿里云物联网平台会下发相关关键词所赋值给下位机。
3.3" 下位机模块
下位机需要在无上位机连接时独立完成计算赋值、控制判断和OLED屏幕显示等工作。
ADC引脚采集的为模拟数值，通过计算赋值换算成为百分比数值可以更为直观的了解蓄水池水位和花卉土壤湿度的相关信息，为此需要创建变量用来储存收集和计算的数值。计算公式为：计算值=（最高阈值-采集值）/（最高阈值-最低阈值）×100%。
判断控制模块会接收计算后的数值并判断是否执行相关操作。功能实现流程如图5所示。
控制判断模块会检测计算后的数据是否达到阈值。达到最低阈值时，下位机执行“开”指令，相关GPIO引脚输出高电平“1”，继电器模块接收到高电平后会连接常闭和公共端使相关外设连通，相关外设运行。达到最高阈值时，下位机执行“关”指令，相关GPIO引脚输出低电平“0”，继电器模块接收到高电平后会连接常闭和公共端使相关外设断开，相关外设停止运行。同时无论是否达到阈值，上位机都可以下发指令使下位机完成相关工作，为保护花卉，在达到阈值后仍执行相关指令。
3.4" 程序设计
本系统开发环境选择Arduino IDE，开发语言为C++语言。Arduino IDE开发编程拥有两个主函数。“void setup”函数中的一切程序在开发板开机后只执行一次，“void loop”函数为一个死循环函数，其中的一切程序将会一直重复执行。核心代码如下：
void setup（） {
Serial.begin（115200）;//波特率115200
pinMode（）;" "/*定义引脚*/
digitalWrite_low（）;/*初始化低电平*/
WiFiInit（）;" /*连接WiFi*/
client.setServer（MQTT_SERVER， MQTT_PORT）;" "/* 连接MQTT服务器 */
client.setCallback（callback）; //设定回调方式，当ESP32收到订阅消息时会调用此方法
/*" oled屏幕初始化 */
oled.init（）;
oled.flipScreenVertically（）;" " " " " // 设置屏幕翻转
oled.setContrast（255）;" " " " " " " " // 设置屏幕亮度
drawRect（）;" " " " " " " " " " " " " "// 测试屏幕显示
oled.clear（）; oled.display（）;" " " " "// 清除屏幕
/*" oled屏幕初始化 */
}
void loop（） {
Computational_assignment（）;/*计算赋值*/
Judgment_control（）;/*控制判断*/
/*OLED显示字母 */
oled.setFont（ArialMT_Plain_16）;" " " "// 设置字体
oled_drawString（）;
/*MQTT数据上报*/
if （millis（） - lastMs gt;= 5000）{
lastMs = millis（）;
mqttCheckConnect（）;
/* 上报 */
mqttIntervalPost（）;}
client.loop（）;
delay（2000）;
}
4" 系统功能测试
4.1" 测试方案
本系统测试采用“黑盒测试”的方案，对系统的多点位自动监测控制、OLED屏幕显示、网页端数据显示、手机端APP数据显示，手机端APP远程控制等主要功能进行了测试[8]。以下测试中为方便将集中式多点位浇花系统外设进行编号，滴液式水位检测器为“0”号，电容式土壤检测器编号为“1～5”号。
4.2" 多点位自动监测控制测试
集中式多点位浇花系统分别选取“0，2，4”号与“1，3，5”号分两组测试，将“1，3，5”号浸泡于水杯中模拟花盆土壤湿度正常，将“0，2，4”号至于干燥纸面模拟花盆土壤干燥需水，此时“0，2，4”号对应继电器红灯亮起代表相应外设正在工作。将两组调换，此时“1，3，5”号对应继电器红灯亮起代表相应外设正在工作，“0，2，4”号对应继电器红灯熄灭代表相应外设停止工作。如此重复3次以上都可以明显看到相应继电器红灯的明灭变化，如图6所示。
分散式多点位浇花系统测试，将电容式土壤检测器置于干燥纸面，模拟花盆土壤干燥需水，继电器红灯亮起代表相应外设正在工作。将电容式土壤检测器浸泡于水杯中，模拟花盆土壤湿度正常，继电器红灯熄灭代表相应外设停止工作。
5" 产品成果
5.1" 产品样品
集中式多点位智能浇花系统硬件部分主要以1个滴液式水位传感器和5个电容式土壤湿度传感器作为感知层终端，传输层使用开发板内置的Wi-Fi通信模组通过MQTT协议与开源的阿里云平台进行通信，将数据传输至应用层人机交互界面APP终端。集中式多点位智能浇花系统产品成品如图7所示。分散式多点位智能浇花系统产品成品如图8所示。
5.2" 阿里云网页端界面
设备通电、连接网络后，网页端会接收到下位机上报的数据，并准确实时地显示上报信息，显示内容如图9所示。
5.3" 手机端APP数据显示
网页端接收到相应数据后会及时同步给手机APP，此时手机APP将会显示与网页端相同的信息。显示内容如图10所示。
5.4" OLED屏幕实时显示
设定好的显示内容为三行，分别为：“AI-watering-SYS”“检测值/开关状态”“@发明人@”，如图11所示。
5.5" 系统应用效果
本系统融合了先进的阿里云平台技术与Wi-Fi网络传输技术，成功构建了一个真正意义上多节点、智能化的灌溉系统，不仅能够适应多种花卉和多场景的浇水需求，还能实现远程实时监控，本系统以其高度的专业性、严谨的设计和标准化的语言，为用户提供了一个高效、智能、便捷的智能浇花解决方案，以满足不断变化的市场需求，并推动智能农业的发展，其应用广泛性为用户带来了极大的便利[9]，有效降低了人力成本[10]。此外，深知网页界面的实用性和操作性对于用户体验的重要性，因此将开发出更加人性化、界面设计更美观的用户展示区，以适应各类用户的使用需求。
6" 结" 论
系统采用了低功耗、大容量、低成本的Wi-Fi网络传输技术，确保了远程通信的高效性和稳定性。以阿里云飞燕生活物联网平台为核心的网络中枢，为硬件与APP移动终端之间的数据交换提供了可靠的支持。同时，传感器技术的运用实现了对水泵、水阀等设备的精准控制。尽管目前系统尚无法完全满足用户除浇水外的其他功能需求，但与其他智能浇花产品相比，系统在性能上已经展现出显著的优势。
产品仍在持续开发阶段，未来将整合更多种类的传感器，并采用更高效的开发板，以更好地满足用户的多元化需求。随着研究内容的深入，所采用的传感器技术也将更加精确和丰富，系统有望与智慧城市建设相结合，进一步拓展其实用性。
参考文献：
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[3] 吕途.基于物联网的水肥一体化智能灌溉系统研究 [D].郑州：华北水利水电大学，2019.
[4] BOUNAJRA A，GUEMMAT K E，MANSOURI K，et al. Towards Efficient Irrigation Management at Field Scale Using New Technologies： A Systematic Literature Review [J].Agricultural Water Management，2024，295：108758.
[5] DIFALLAH W，BENAHMED K，BOUNNAMA F，et al. Intelligent Irrigation Management System [J].International Journal of Advanced Computer Science and Applications （IJACSA），2018，9：090954.
[6] MUHAMMAD A，LI W，LI H M，et al. Optimization of Intelligent Irrigation Systems for Smart Farming Using Multi-Spectral Unmanned Aerial Vehicle and Digital Twins Modeling [J].Environmental Sciences Proceedings，2022，23（1）：13.
[7] 崔庆权，宁晶.多节点网络化智能盆栽浇花机器人的研究 [J].电子测量技术，2019，42（1）：87-90.
[8] 王红玉.OneNET云平台下基于WiFi的智能家居监控系统的设计与实现 [D].呼和浩特：内蒙古大学，2021.
[9] 王琦锋.基于MQTT和ESP-NOW的智能家居监测与联动系统 [D].银川：宁夏大学，2023.
[10] 丁慧敏.OLED显示屏驱动芯片视效优化设计与研究 [D].西安：西安电子科技大学，2021.
作者简介：张涛（2002—），男，汉族，宁夏吴忠人，本科在读，研究方向：嵌入式系统、智能家居；通信作者：丁永贤（1979—），男，汉族，宁夏银川人，教师，硕士，研究方向：嵌入式系统、物联网。
