基于Android的浇花神器实现

目录摘要1Abstract1第一章 引言21.1前言21.2国内外研究现状21.3研究意义3第二章 系统整体方案设计42.1设计要求42.2设计方案4第三章 系统的硬件电路设计53.1 硬件总体设计53.2 STM32最小系统53.2.1选型53.2.2概述63.2 DTH11温湿度传感器电路83.2.1概述83.2.2引脚说明及连接103.3 HC-05蓝牙模块103.3.1概述103.3.2引脚说明及连接123.4本章小结13第四章 系统的软件部分设计144.1 软件设计流程144.2 蓝牙通信设计154.3 Android APP设计164.3.3 开发环境Android Studio164.2.3 设计界面164.4本章小结17第五章 总结与展望18参考文献19致谢20摘要利用Android平台客户端蓝牙模块，结合STM32系列单片机、DTH11温湿度传感器采集并通过HC-05蓝牙发送数据信息，通过MCU芯片进行数据处理，设计实现了具有多功能的远程可控浇花。系统分为一款APK软件和一项智能操控的浇花硬件，具有将获取实时信息以及短距离控制等功能。该系统为现代化家居提供更为便利的服务，并且对温室种植，园林、农业灌溉等领域具有一定的推广价值。关键词：STM32 温度测量 湿度测量 Android APP 蓝牙通信AbstractUsing the Android platform client Bluetooth module, combined with STM32 series microcontrollers,DTH11 temperature and humidity sensors collected and sent data information through the HC-05 Bluetooth,through the MCU chip data processing,design and implementation of a multi-functional remote controllable watering. The system is divided into an APK software and an intelligently controlled watering hardware that will have real-time information and short-range control. The system provides a more convenient service for modern homes and has certain promotional value in greenhouse cultivation, gardening,agricultural irrigation and other fields.Key Words：STM32 Temperature measurement Humidity measurement Android APP Bluetooth communication第一章 引言1.1前言科学技术飞速发展的今天，我们迎来了一个崭新的时代，自动化技术逐渐普及到人们的生活当中，智能家居已然走进家庭中。我们充分享受着自动化技术给我们带来的便利，交通智能化方便了我们的出行，繁杂的计算在微型计算机面前不值一提，一张大网在互联网和物联网的编织下已经逐渐成型，人与人之间的距离不再遥远，因而，人们的生活方式发生着日新月异的变化。物质上的充足使人们拥有更多的闲暇时间，如何利用好这些时间呢？养花种草不失为一种陶冶情操，修身养性的好方法。然而，空暇时间总会被各种原因长期占据，例如旅游抑或出差等，这可能使得爱花因缺少水分几近凋谢。这一问题一直困扰着爱花人士，因此，一些自动浇花装置应景而生，在市场上占据了一部分份额。这些装置主要分为两类:一类是依靠物理虹吸原理，利用渗透的方式来自动浇水，另一类是利用简单的定时控制技术实现自动浇水。这两类浇花装置检测方式单一，无法根据周围的环境因素来实现实时浇水，因此常常出现花卉干枯或者过涝死亡的现象。本文提出一种新的智能化的浇花系统，通过土壤湿度传感器、温度传感器来实时获取周围环境信息，通过模数转换传送到STM32芯片中，并由STM32芯片将传感器得到的信息进行判断处理，并及时给出控制系统信号，从而控制水泵的开启与关闭，实现按需浇花;此外，系统蓝牙模块可以与手机通信，用户能随时自动接收花卉的当前状况，这弥补提升了当前市场上浇花装置的不足。1.2国内外研究现状自从20世纪的70年代以来，蓬勃发展的微电子技术从政治军事领域逐渐走进人们生活，人们生活水平愈发提高和生活节奏逐渐加快，各种浇花装置也应景而生，成为一种新型的便利人们生活的产品。多年之前，国外就已经开始使用浇花装置，但是高昂的价格让普通家庭望而却步，国内使用的电子浇花装置大部分是从国外引进的，质量好，却价格高昂。这些装置的设计初衷并不是运用于家庭生活中，园林，农场等大型浇灌场所才是这类装置运用的场景。经济与科学技术的发展日新月新，小康社会已经来临，人们在注重生活质量的同时，也更加注重休闲养生。养花种草不失为修身养性、陶冶情操的一种活动。因此，人们需要一种家庭用的小型浇花器，这种装置将会为种植花草提供极大的便利。物质生活愈发富裕，方便实用的浇花装置在市场上的地位也就变得高起来，市场上浇花装置也在不断进步，变得更加适用于小康家庭。用玻璃、陶瓷制作的物理驱动的浇花装置目前仍在国内外的市场上占有一席之地，我国山西和浙江等地区是这些装置的主要产地，价格低廉，但事实上实用性不如电子浇花器。水是生命之源，养花最重要的一点也是水。根据调查显示，浇水不当导致了80%以上的花草死亡。国内商家、厂家纷纷发现了这个商机，就目前而言，广东、上海和浙江等地区是这类电子浇花器的主要厂家集中的地方。下面较为详细的介绍一下已有浇花装置的设计理念:自动渗水装置，这种装置主要由玻璃、陶瓷制作而成。它主要靠物理驱动，运用虹吸原理，装置完成完成自动浇灌。当水存在于器件中时，自身会形成一定的压力，遇到干燥的土壤，水就会从上往下顺势流出，当土壤湿润时，下方的压力大，水流流不下去，速度逐渐变慢，直到停止。影响水流的主要因素有制作材料、制作工艺等内部因素和土壤的疏松情况等外界因素时空喷淋装置是一种电子浇花器。主机、主管、分水接头、副管和喷淋管构成了这种装置的主要框架。能源供给方式有交流电供电和电池供电。当前世界，蓬勃发展的传感器技术与单片机技术的应用已经逐步由工业、军事领域推广到日常工作生活等领域，我们的日常生活已经离不开这些技术了，智能家居的理念深入人心。因此，微电脑控制的电子浇花系统，有着可观的发展前景，自动化设备普及度越来越高，自动浇水系统的应用也越来越广。1.3研究意义本设计旨在实现一款智能浇花系统。首先，数据由传感器经过模数转换发送到单片机中，再由单片机连接的蓝牙模块，将数字信息实时的转送到手机APP上，其次，为了体现系统的智能化，该设计拥有2种模式，一种为手动模式，可以根据APP上显示的温湿度信息人为的判断是否用控制水泵的开启与关闭；另一种自动模式，当温度湿度满足一定条件时，水泵自动开启，不满足这一条件时自动关闭，本设计可应用于家庭、办公室等环境中。后续可以继续升级完善，为温室大棚种植、农业、园林灌溉等智能化溉系统提供一定的参考价值。第二章 系统整体方案设计2.1设计要求1、通过手机App实现对浇花控制设备的控制，实现远程控制浇灌。2、同时手机App能获取控制设备的相关参数，如温度、土壤湿度等信息。2.2设计方案选择STM32为主要控制芯片，设计的整体主要组成部分含有湿度采集模块、温度采集模块、蓝牙模块、继电器模块（控制水泵）和显示模块，其系统组成框图如图2-1所示。该智能浇花系统拥有两种工作模式:一种是自动模式，另一种是手动模式。在自动模式下，水泵的开启由预先设定好的土壤湿度，盆栽周围温度的阈值来决定，满足条件的话则启动水泵;这个阈值可以人为设定，结合盆栽以及土壤环境等各种因素选择一个合适的值。在手动模式下，通过用户手机蓝牙与系统的蓝牙连接完成后，借助手机APP即可获得当前环境的温湿度状况，通过点击不同的按钮来发送指令，以达到控制浇花系统的效果。另外需要注意的一点是，假如蓝牙未连接，系统将进入自动模式。这两种工作模式下，通过LED显示屏可以实时观测到系统的工作状态。温湿度模块MCU手机APP控制端蓝牙通信继电器 单片机模块图2-1 整体设计框图第三章 系统的硬件电路设计3.1 硬件总体设计本次设计的硬件部分主要以单片机STM32为核心来实现。浇花系统的温湿度检测是利用DTH11温湿度传感器对周围环境的温度和湿度进行采集，再将采集到的模拟数据经过A/D转换处理，输送到单片机内变成数字信号，通过HC-05蓝牙模块将数据传送到手机APP端，实现温湿度的监测。同时手机端能够编辑发送指令到单片机中以控制继电器运转，以达到控制水泵的作用。系统的硬件电路主要由STM32最小系统，DTH11温湿度传感器电路、HC-05蓝牙模块构成。该系统优势在于系统灵活，操作简单，成本较低。系统总框图如图3-1：图3-1 硬件设计框图3.2 STM32最小系统3.2.1选型本次设计，我选择了STM32F103系列的单片机开发边，接下来解释一下选择这款开发板的理由。STM32在我们平时生活中随处可见，很多去亲民的电子科技产品中都运用到了STM32，比如智能手环，智能小车、3D打印机等。STM32属于一个微控制器，自带了各种通信接口，比如USART、C、SPI等，可接很多外部设备，并可以同时控制，综合运用，比较适合本次设计，因而选择了STM32。至于如何选择STM32的型号，需要根据设计需求优先选择所需内核的MCU，一般的设计选择Cortex-M3内核的F1系列，如果要追求高性能的处理性能和高精准度的计算，或者需要外接RGB大屏幕的，可以选择Cortex-M4内核的F429系列。在此次设计中因工程量并不算庞大，同时结合价格因素，故选择STM32F103系列。3.2.2概述STM32是一种由ST公司开发的32位微型控制器，STM32在如今的32位控制器当中是运用最为广泛的一种，它受到众多工程师的青睐，是他们做设计的不二选择，在市场上的地位不可撼动。选择好开发板后，我对STM32开发板的外部结构作了学习。该芯片是100引脚的STM32F103，引脚遍布芯片的四周，左下角的圆点表示1脚，然后按照逆时针的顺序排列依次到100脚。开发板中把芯片的引脚引出来，连接到各种外部设备上，然后在STM32上编程（实际就是通过程序控制这些引脚输出高电平或者低电平）来控制各种传感器工作。 研究完STM32F103增强型系列开发板的外部结构后，查阅资料对内部结构进行了学习。STM32F103系列拥有高性能的，工作频率为72MHz的内核，为ARM Cortex-M3 32位的RISC内核。其存储器包括128K字节的闪存和20K字节的SRAM，同时拥有多个增强I/O端口和连接到2条APB总线的外设，还有必不可少的通信接口：2个C和SPI，3个USRT，一个USB和一个CAN。此外2个12位的ADC，3个通用16位定时器和一个PWM定时器。其最小系统电路图如图3-2： 本次设计的硬件部分最关键的是与外部设备连接如何连接，例如控制继电器的开关，和LED信号灯的亮灭等，这里很重要的一点是GPIO口的运用。GPIO通俗的来说是STM32可以控制的引脚，即通用输入输出端口的简称。通过GPIO口的引脚将STM32芯片与外部设备连接起来，从而实现STM32与外部的通讯、控制以及数据采集功能。STM32芯片的GPIO被分成很多组，每组有16个引脚，如本次设计中用到的STM32F103VET6型号的芯片有5组GPIO口：GPIOA、GPIOB、GPIOC、GPIOD、GPIOE，GPIO就占据了总计100个引脚中一大部分，所有的GPIO引脚都具备基本的输入输出功能。由STM32主芯片控制引脚输出高、低电平，从而达到控制开关的效果，将LED灯连接到GPIO上，就能控制LED灯的亮或暗，将继电器连接到GPIO上，就可以通过继电器控制外部大功率设备的开启，如水泵。ADC即模数转换器，该器件在本次毕设中体现的主要功能是把传感器获取到的模拟信号转换为数字信号通过单片机STM32发送到手机APP中以供监测。ADC有以下几个重要技术指标分辨率：12位分辨率，负电压不能通过直接测量得到，没有符号位。转换时间：转换时间是可编程的。采样时间最短为1us。类型：STM32中采用的是逐次比较型的ADC。传感器获取到的模拟数据经过ADC转换后变为数字信息，然后保存到16位的规则通道数据寄存器中，再通过CPU指令或者DMA将它读取到内存中去。图3-2 STM32F103最小系统电路图3.2 DTH11温湿度传感器电路3.2.1概述DHT11是一款数字温湿度传感器，这款传感器内部含有已校准数字信号输出。这种传感器运用了2个主要技术以提高产品的可靠度，增强产品的稳定性，一个是专用的温湿度传感技术，另一个是数字模块采集技术。一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件，并与一个高性能8位单片机相连接构成了这款传感器的主要架构。品质优秀、响应快速、抗干扰能力强、性价比高是这款传感器的优点。DHT11传感器在精确的湿度校验室中进行过校准。校准系数以程序的形式存储在OTP内存中，这些校准系数在检测信号的处理过程中被调用到。另外DTH11传感器采用单线制串行接口，使系统集成拥有简易快捷的特点。我本次毕业设计的选择这款传感器主要是看中它极低的功耗、超小的体积，信号传输距离较远的优势。另外该传感器为4针单排引脚封装，连接方便，这也是我选择它的因素之一。其原理图如图3-3：图3-3 DTH11电路原理图DTH11的性能参数具体如表3-1所示：表3-1 DTH11温湿度传感器性能参数DTH11在工作时，DATA负责传感器与MCU芯片的数据传输，数据传输时的格式采用单总线数据格式，大约4ms为一次通讯的时间，发送的数据包含小数和整数2个部分，小数部分虽然有，但是实际显示为0。温度测量分辨率与湿度测量分辨率均为8bit。 DTH11传感器的的性能参数如表3-2所示：表3-2 DTH11温湿度传感器的电气特性（VDD=5V，T=25）参数条件MinTypMax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150Ua采样周期秒1次注：采样周期不超过1秒3.2.2引脚说明及连接DTH11在连接到单片机上时，电路图3-4:图3-4 DTH11连接电路图DTH11的引脚说明如表3-3所示表3-3 DTH11温湿度传感器的引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5V2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极在实物连接中，此款STM32的开发板上，有DTH11的专属接口，只要注意好插的方向即可，传感器上有缺口的一端与STM32板的提示方向一致便可以完成连接。3.3 HC-05蓝牙模块3.3.1概述HC-05是一款蓝牙串口模块，它采用蓝牙2.0协议，可与任何版本的蓝牙兼容通讯，包括与具有蓝牙功能的终端配对，例如电脑、蓝牙主机、手机、PDA、PSP等，其最为重要的是实现串口透传功能。驱动HC05模块时只需要使用TTL电平标准的串口即可(5V/3.3V电压均可)，支持的波特率范围为48001382400，非常适合用于单片机系统扩展蓝牙特性。其原理图如图3-5 ： 图3-5 HC-05蓝牙模块原理图蓝牙HC-05的特性参数如表3-4所示：表3-4 HC-05蓝牙模块的特性参数参数说明供电3.3V-5V通讯接口TTL串口，支持波特率48001382400，默认值为9600通讯距离10米频段2.40GHz-2.48GHz蓝牙协议蓝牙2.0 带EDR，2Mbps-3Mbps调制度存储器8Mbit FLASH天线板载2.4GHz天线，自适应跳频技术无线发射功率-4-6dBm可调（蓝牙Class2功率级别）无线接收灵敏度-80dbm误码率0，但会在传输链路产生误码，如RS232和TTL线路处理中应用领域蓝牙转串口透传数据工作温度-25-75功耗配对中：30-40mA通讯中：5-20mAHC-05蓝牙模块是通过发送AT指令集的方式进行工作的，其工作模式分为2种，一种是自动连接工作模式，在这种模式下蓝牙模块又可分为主、从和回环三种工作角色，系统将根据事先设定好的方式自动将连接的数据传输；另一种是命令响应工作模式，当蓝牙模块处于这种工作模式下时，用户可向蓝牙模块发送各种AT指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。通过控制模块外部引脚（PIO11）的输入电平，可以切换蓝牙模块的工作状态。3.3.2引脚说明及连接表3-5 HC-05蓝牙模块的引脚说明序号引脚名称说明1VCC3.3/5V电源输入2GND地线3TXD串口数据发送引脚，TTL电平4RXD串口数据接收引脚，TTL电平5KEY模式引脚，悬空时默认为低电平高电平时，模块进入AT命令模式低电平时，模块为串口透传模式6INT配对状态输出配对状态时，输出高电平未配对状态时，输出低电平在实物链接时，VCC连接+5V，GND接地，TXD接PA3，RXD接PA2，KEY接PB14，INT接PB13。3.4本章小结 本章着重介绍了本次毕业设计硬件部分的三个重要部分：STM32F103芯片，DTH11温湿度传感器和HC-05蓝牙模块。首先介绍了STM32的基本概念、框架等，其中重点说了STM32开发板的接口GPIO和与传感器间接相关的模数转换器，然后由此延伸，介绍STM32开发板上接的DTH11传感器的基本概念和工作模式，同时讲解了HC-05蓝牙模块相关知识，此外还说明的硬件部分的具体引脚连接。第四章 系统的软件部分设计4.1 软件设计流程根据此次的设计要求，分析需求后，绘制整体流程图4-1，4-2：系统初始化温湿度传感器获取模拟数据数据执行下一次循环关闭继电器AD转换 N是否达到阈值MCU芯片获取数字信息 打开继电器蓝牙模块发送数据 Y 图4-1 单片机模块流程图APP初始化接收并显示数据扫描、配对、连接蓝牙退出APP是否进入手动模式 N Y 点击按钮向单片机发送指令 图4-1 APP端流程图其余各部分流程图分别如图4-2,4-3所示：系统初始化系统初始化传感器从外界获取模拟数据搜索到指定蓝牙 N Y配对蓝牙将数据进行AD转换连接蓝牙将数字信息发送MCU芯片传输数据图4-2 DTH11传感器模块流程图 图4-3 HC-05蓝牙模块流程图4.2 蓝牙通信设计HC-05蓝牙模块的运行包括5个步骤:初始化、扫描、配对、连接、串口透传。首先执行INIT初始化命令，将模块初始化为蓝牙的SPP(Serial Port Profile规范。接着进行蓝牙的扫描、配对、连接。具体实现如图4-4，连接完成后，就可以进行数据的传输，具体实现如图4-5。图4-5 HC-05的扫描、配对与连接图4-6 获取数据4.3 Android APP设计4.3.3 开发环境Android StudioAndroidStudio是AndroidAPP的一个最为广泛运用、最正式的开发环境，它基于IntelliJIDEA.和EclipseADT类似，AndroidStudio提供了集成的Android开发工具用于开发和调试平台。4.2.3 设计界面图4-2 APP界面接通电源，系统初始化完毕之后，直接进入系统的自动模式，DTH11传感器开始工作，获取温湿度的模拟数据信息，然后经过AD转换为数字信心存储在MCU当中，MCU将获取到的数据与设定好的阈值进行比较，根据结果控制LED灯的亮灭，此时在APP端，点击左上角按钮即可打开手机的蓝牙，然后点击上方第二个按钮，搜索所需要连接的HC-05蓝牙模块，不使用时可以点击断开连接，右上角显示的是目前蓝牙的接通状态，接通完成后，屏幕中间的温度湿度一栏，会实时更新温湿度数据，最下方的两个按钮则控制了系统的手动模式，能够实现远程控灯，点击Start，开发板上的LED指示灯会亮，按下Stop，指示灯会暗，此处，LED灯的亮灭模拟浇花系统中继电器控制水泵的开关。4.4本章小结本章主要介绍了本次设计的软件部分，首先讲解了软件整体与局部的流程设计，然后介绍了蓝牙通信是怎样实现的，此外，结合实际中 Android APP的设计，介绍了这款APP如何使用。第五章 总结与展望本次毕业设计-基于Android的浇花系统的实现至此已经告一段落了。本次设计主要运用到了STM32单片机原理和Android APP的设计，这两个领域以前接触的很少，所以对我来说是一个很大的挑战，充分考验了自己的学习能力，吸收新事物的效率，就结果而言，虽然没能真正意义上的实现浇花洒水这个功能，但是已经能够通过手机APP，实时监测到温湿度的变化，并且能够以控制单片机上LED灯的亮灭的形式代模拟控制继电器的开关，也算是小有成果了。在今后的学习工作生活中，希望自己能够丰富自己的知识储备，提高自己的动手能力，将这一设计的各部分细节完善，能够真正的运用到人们的生活中去，为大众带来便利，这也是本次设计的初衷，并且能够展望农业灌溉等领域，起到一定的借鉴与运用。参考文献1施磊磊. 基于STM32的智能家居控制系统研究D.中原工学院，2017.2张鹏儒. 基于STM32微控制器智能军营环境参数检测系统D.西安电子科技大学，2015.3陈城. 基于Stm32的温湿度检测系统D.武汉科技大学，2012.4罗富财. 基于Android平台的蓝牙通信系统的研究与实现D.华北电力大学，2013.5郑昊，钟志峰，郭昊，许骏.基于Arduino/Android的蓝牙通信系统设计J.物联网技术，2012，2(05):50-51.6张旭辉.基于安卓系统的APP开发技术探析J.电子制作，2016(14):34.7顾涵，吴晓婷，李天福，张俊龙.基于51单片机的小型温度采集系统设计J.科技传播，2013，5(10):212-213.8广西 罗才枝. 单片机编程入门实例N. 电子报，2013-08-11(009).9卢旭锦.浅谈单片机编程语言J.电脑知识与技术(学术交流)，2007(03):765+778.10Tuan Shan Zhang,Ya Mei Li. Data Acquisition Design Based on the STM32J. Advanced Materials Research,2012，2076(591).11Li Wu，Jian Wei Shen. The Development of Android Mobile Game Based on App Inventor2J. Advanced Materials Research，2014,3227(945).12Volker Lange,Hannan Tfekcidere,Dietrich Khlke. LED-Temperatursensor (LED Temperature Sensor)J. tm - Technisches Messen,2007,74(07-08).20