#第四届立创大赛#农甜自动花盆 - 嘉立创EDA开源硬件平台

注：*为必填项。 【请在报名阶段填写 ↓】 农甜自动花盆是一款结合硬件设计，结构设计、软件设计和农业设计概念的自动化智能花盆，根据微信客户端设置培育植物的类型，进行微种植环境下的非接触安全监测，对水量、土壤湿度、温度、光照等进行采集，通过一键联网WIFI与服务端交互植物数据情况，根据先验养殖经验进行浇水灌溉，支持用户绑定与解绑。配备可充电锂电池电源，及软硬件低功耗策略。微信养殖情况预警、好友分享等功能。 - - - 【请在竞赛阶段填写 ↓】 *  一、作品详情； 在大赛准备阶段，我们设计花盆软硬件原理，进行方案论证。通过在力创商城采购元器件以及PCB几轮打样，最终实现的基本的功能需求。 (**一)资源介绍:** 1.  处理器:ST STM32F103C8T6 2.  DCDC芯片:Richtek RT9013-33GB 3.  温度传感:TI TMP112AIDRLR 4.  光照传感:Rohm BH1750 5.  液位传感:自主开发FPC单层平板电容模型 6.  土壤湿度传感:自主开发PCB多层平板电容模型 7.  水泵电机驱动:FM TC118S 8.  WIFI芯片:乐鑫ESP8266 (**二)花盆硬件结构如下图所示:** 花盆硬件结构分为由6个PCB板组成： 1.  **顶板**:包括光照传感器及温度传感器，通过排针的方式与主板焊接，接口均为IIC。放置在产品最顶端，进行光照和温度采集。 2.  **侧板**：包括一个按钮、一个双色LED、一个MicroUSB口，通过排针的方式与主板焊接。按钮用于用户复位；LED用于指示产品功能或联网状态，通过导光柱方式进行导光；USB口用于供电及锂电池充电 3.  **主板**：包括处理芯片、WiFi芯片及与各个传感器、水泵、电源连接的接口。湿度传感器为自主开发，通过计算并设计PCB环形走线与主板集成一体，做成类L型板框，具白线下方需插入土壤，土壤需尽量压实包裹住传感器。 4.  **FPC**：液位传感器为自主开发，采用平板电容器模型，计算并设计FPC走线，使液位传感器可以贴在花盆内壁，适用于各种异型花盆的水槽，特别适用狭小空间内的液位检测，本设计正在考虑申请专利。 5.  电池仓、**充电板**：电池仓内放置方形锂电池及充电板，充电板通过接口与主板相连。(由于时间原因，锂电池充电部分本次未设计在内) 6.  **力创Logo挡板**:别出新意设计一个挡板，带有嘉立创Logo标识，用于主板插入土壤后的固定。  (**三)软件资源介绍** **１.系统的整体网络架构** 农甜自动花盆整体网络架构如图所示，包括农甜科技服务器和微信服务器，手机微信端，花盆主板端。通信过程主要有两个部分，首先是给花盆主板配置网络的过程，采用的是Airkiss协议，局域网给花盆主板配置网络。其次是配置网络成功的通信过程，花盆主动上报心跳到农甜科技服务器，手机微信端从微信服务器和农甜服务器获取花盆设置的数据和进行用户绑定，这里不做重点说明。  **2.STM32资源应用** 本项目中应用到的STM32资源和相对应的功能如下图所示。主要应用的资源有两个UART，三个定时器（包括系统滴答定时器），两个模拟IIC，以及GPIO若干，UART串口主要有两个功能，串口1负责软件调试，当然在调试过程中也应用到了jlink调试器，但是串口输出更加直观，串口2主要负责与ESP8266 WiFi模块通信，控制esp8266与服务器连接通信，服务器反回的数据信息也可能通过通过串口1打印输出，这样可以实时的了解到花盆主板STM32的工作状态。嘀嗒定时器负责系统应用到的延时，定时器3负责与服务器通信的定时计算，包括心跳和数据上传时间的计算。而定时器2需要设置与输入捕获模式，通过计算出水位传感电路的频率，软件换算成水位。温度和光照传感器都是IIC协议的芯片，由于IIC协议方便模拟，所以采用了两个模拟IIC。同时花盆主板上提供了自动浇水功能是通过GPIO输出高低电平实现。复位按键是一个多功能的按键，可以通过按键的时间长短进行网络配置和系统恢复出厂设置，这时LED状态会有相应的指示。  **3.STM32软件资源对应引脚列表** | | | | | --- | --- | --- | | 资源 | GPIO | 功能 | | UART1 | PA9 PA10 | 调试串口 | | UART2 | PA2 PA3 | ESP8266WiFi模块 | | SysTick | -- | 滴答定时器系统延时 | | Timer3 | -- | 数据上传定时 | | Timer2 | -- | 测量水位 | | GPIO | PA8 | 复位按键 | | GPIO | PB4 | LED | | GPIO | PA11 PA12 | 模拟IIC，测量光照 | | GPIO | PB8 PB9 | 模拟IIC，测量温度 | | GPIO | PB12 PB13 | 电机 | | ADC | PB0 | 测量湿度 | **(四)产品需求介绍** **1.初始阶段:** (1)设备上电自检：设备上电后进行自检，包括与传感器、WIFI模块检查连通性及工况(水量、电量等)，并获得WIFI模块MAC地址。通过指示灯闪烁反应是否正常。完成上述过程后，MCU使WIFI模块进入低功耗休眠状态. (2)按键触发：APP提示按按键来配置网络，长按按键3s，MCU激活WIFI模块。(指示灯配合闪烁) (3)配置WIFI (手机端):该过程由手机APP与WIFI模块实现，MCU不参与. (4)检查WIFI连通:WIFI模块激活后，MCU开始不断检查WIFI模块与路由连通性，直到与路由连接成功。(指示灯配合闪烁). (5)配置服务器及端口号(MCU端):MCU对WIFI模块进行服务器地址及端口号配置。(指示灯配合闪烁) (6)握手信号:MCU发送握手信号，直到收到服务器的确认。(指示灯配合闪烁) (7)有效性验证:MCU发送ID到服务器，直到收到服务器的确认有效。(指示灯配合闪烁) (8)请求时间:MCU向服务器请求当前时间，本地RTC开始计时 **2.运行阶段** **(1)上传数据:(下方表格)** | 内容 | 单位 | 范围 | | --- | --- | --- | | 环境温度 | ℃ | 0-55(+/-1℃) | | 土壤湿度 | %SH | 0-99(+/-10%) | | 光强 | Lux | 0-65535(+/-100lx) | | 水量 | L | 0.1-2(+/-0.1L) | | 电量 | - | - | | 时间 | yyyy-MM-dd hh:mm:ss.ff | 2019-07-22 07:45:01.234 | | 故障 | 1.传感器故障:当传感器超范围或无法通信时给出指示字节2.超时重发/通信错误:通信等待时间1s，超时之后重发次数为3次。连续3次累加和3.断网:当超时重发次数超过3次时，指示断网，重新（重复）握手直到网络恢复。 | | **(2)下传数据:(下方表格)** | 内容 | 单位 | 范围 | | --- | --- | --- | | 浇水 | - | 0:不动作1:浇水 | | 时间同步 | yyyy-MM-dd hh:mm:ss.ff | 2019-07-22 07:45:01.234 | | 心跳 | 在上传数据的间隔发送心跳包，保持与服务器连接 | 默认频率:10s | **（3）其他功能:(下方表格)** *  二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；        本参赛作品设定的目标人群是喜欢养花，并且没有太多时间、忙于工作的年轻人群，通过自动获取植物生长环境状态，上传到服务器，通过与微信服务器接口。用户可通过微信获取这些状态，并分享。用户也可在微信中对植物进行灌溉浇水操作。        在开发设计过程中，我们主要解决了在微种植环境水槽水位测量的问题，在下一节会详细介绍。这种设计不但可以在体积较小的空间下进行水位测量，而且由于是FPC制作工艺，还可以贴(或卡)在不规则容器内部，实现测量，结构适应性很强。特别要指出的是，目前我们已经在实验室环境下，研发出非接触方式的液位测量，只要是非金属的腔体，经过电路参数调试和结构密贴，这种FPC传感器可贴在腔体外部，无需与被测液体直接接触，性能等优于常见的液位阀或超声波侧液位的原理。可扩展应用于智能水杯，医疗吊瓶滴液量检测等方面。        本参赛作品面临挑战第一点主要是功耗，目前是锂电池和充电器共用的方式，如果使用锂电池供电，耗电较大的是WiFi芯片，而花盆一般静止不动，当需要移动时，经测试，2000mAh的锂电池也可持续供电2-3天，下一阶段需在低功耗设计方面进行软硬件优化；第二个面临的挑战是土壤湿度检测精度不高，目前通过划分档位的方式，通过国产普通土壤湿度传感器进行标定，如果需要比较高的精度，电路和软件方面需要进一步设计，并且需要与国外高精度土壤湿度传感器进行标定，需具备良好的一致性，为后续量产做准备。 - - - *  三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点； **1.硬件部分关键点:**     利用电容感应技术，在FPC上制作出平板电容器，两板形成互电容，通过LC振荡器产生一定频率的信号，发送到平板电容的一个极板，另外一个极板作为接收。随着液体升高，互电容值产生变化，接收到的频率相比空气的频率发生变化，将这种变化的频率通过单片机定时器的测频功能测出，经过标定即可知道水量。同样，土壤湿度测量为了获得更高的精度，采用一个发送极板和2个接收极板组成，接收极板数量越多，测量分辨率就越高。 **2.软件部分技术关键点** 软件部分的关键技术点，一方面是整体软件设计的把控，对功耗的控制，二是花盆协议的设计，本次设计采用了私有协议，通过自定义数据意义的方式保证花盆在线，保证数据通信稳定，三是水位采集，针对硬件采集频率的方式，在软件上通过捕获计数计算出频率再换算出水位，根据标定值画出水位(或土壤湿度)与频率关系曲线，进行拟合后，形成输入输出方程，整体效果稳定。 - - - *  四、作品材料清单； 1.主板、顶板、侧板 2.FPC 1条 3.花盆1个 4.水槽1个 5.防水微型水泵及水管1套 6.TCP Server 7.WiFi路由器一个 - - - *  五、作品图片上传；（PCB上须有大赛logo标识并拍照上传，若无视为放弃参赛） 见附件《作品图片.rar》和《PCB(PDF).rar》 花盆搭建模型.jpg  电路板细节.jpg  主板正背面.jpg  3D-PCB  FPC图片  微信客户端.jpg  - - - *  六、演示您的作品并录制成视频上传；（视频内容须包含：作品介绍；功能演示；性能测试；PCB上大赛logo标识特写镜头，若无视为放弃参赛） 视频地址: [https://v\.youku\.com/v\_show/id\_XNDM3MDI3MTcwOA==\.html?spm=a2h3j\.8428770\.3416059\.1](https://v.youku.com/v_show/id_XNDM3MDI3MTcwOA==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1) 或优酷搜索:农甜自动花盆。 - - - 七、开源文档。 1.硬件-服务器-微信客户端功能需求文档V0.1.xlsx 2.硬件-服务器-微信客户端技术方案需求文档V0.1（内部草稿）.docx 3.硬件-厂商服务器通信协议V0.0.1（toServer开发者，外部）.xlsx 4.硬件功能需求（toServer开发者，外部）.docx 5.硬件-结构需求V0.3.docx 6.水位标定数据.xlsx