植物环境监测器|LCD_新浪科技

这个 Pocket Beagle 设备测量并显示你的室内植物正在茁壮成长或勉强存活的环境条件。

这个项目是为莱斯大学（Rice University）的 EDES 301：实用电气工程导论课程开发的。

如这篇帖子所述，我设计并制作了一个基于 PocketBeagle 的植物环境监测器，它测量土壤湿度和温度等环境条件，在 LCD 屏幕上显示它们，并通过 LED 提供视觉反馈。该系统旨在帮助防止常见的植物养护错误，例如过度浇水或疏于照料——而我过去确实犯过这些错误。我想找到一种方法，在植物枯萎死亡之前，跟踪并改善我的植物所处的环境条件。

这是一个嵌入式系统，旨在通过持续监测环境条件来帮助用户保持室内植物健康。该设备使用 PocketBeagle 微控制器测量土壤湿度和温度，在 LCD 屏幕上显示实时数据，并通过 LED 提供视觉反馈。一个由按钮控制的界面允许用户循环切换显示模式。该设备支持自动启动（auto-boot），并被设计为嵌入式系统与电气工程概念的一个实用且简单的应用。

在我的系统中，土壤湿度以百分比测量，我将这个条件划分为四个类别：土壤湿（≥70%）、最佳（40–69%）、干燥（20–39%）以及非常干燥（<20%）。温度以摄氏度监测，以确保安全的工作条件并提供环境背景，帮助我理解热量如何影响土壤干燥/植物健康。

在我的项目中，我使用 PocketBeagle 作为微控制器。下面是它的引脚图。

所有 PocketBeagle 引脚（P1 和 P2）到组件引脚（组件上的引脚或面包板上的引脚）的对应关系如下所示，便于参考。这些引脚是在我测试系统时，根据 PocketBeagle 哪些引脚有响应而决定的。

我开始这个项目时，首先将 PB（P1_14）的 3.3 V 连接到我的面包板正电源轨。我也将 PB（P1_15）的 GND 连接到负电源轨。这样所有传感器、LED、按钮、电位器和其他组件就可以共享公共地，并且都能获得 3.3 V 供电。

我按照图 2 所示的连接方式将 LCD 屏幕连接到 PB。我使用 GPIO 引脚以 4 位模式接线：RS、Enable（E）以及数据线（D4-D7）连接到 PB GPIO（P2_24、P2_22、P2_18、P2_20、P2_17、P2_10）。然后我将 BLK、RW 和地引脚连接到地（面包板地轨）。在 VO 引脚上使用一个电位器来控制对比度。LCD 屏幕本身（VDD）使用 5 V 供电（USB 的 5 V，P1_5）。此外，背光（BLA）通过一个 220 欧姆电阻连接到 5 V。

我使用一个电位器作为分压器来控制 LCD 对比度，中间引脚连接到 LCD 的 VO 引脚，一侧接 3.3 V，另一侧接地。然后在 LCD 由我的电脑供电的情况下，通过旋转电位器手动调整对比度。接线方式类似于下面的图 3（注意：由于初步引脚连接没有响应，后续迭代中接线发生了变化，不过该图用于视觉辅助）。

参考图 2 并使用随附的 JST PH 2mm 4 针转公排线缆，我将传感器 SDA 连接到 P1_26，将 SCL 连接到 P1_28。GND 连接到地，VIN 连接到 3.3 V 电源轨。这些连接可在下面的图 4 中看到。

该土壤湿度传感器在我的设备中通过 PB 上的 I2C 总线 2（地址 0x36）进行通信。

使用公对公跳线，我将 SDA 连接到 P2_11，将 SCL 连接到 P2_09，将 GND 和 SDO 连接到地，将 VCC 连接到 3.3 V。该温度传感器通过 I2C 总线 1（地址 0x76）通信。我原本打算使用 BME280 温湿度传感器，但在我烧坏原来的 BME280 之后，BMP280（温度和气压）是唯一可用的传感器。

每个 LED 的阳极（长脚）串联一个 220 欧姆电阻。然后从电阻出发，红色 LED 连接到 P2_19，黄色 LED 连接到 P2_25，绿色 LED 连接到 P2_29。LED 的阴极（短脚）接地。接线在下面的图 5 中示意。

使用公对公跳线，我以一个下拉（pull-down）配置连接了一个瞬时按键。按钮的一端连接到 P2_27（GPIO 输入），另一端连接到 3.3 V 电源轨。同一个 GPIO 节点（P2_27）通过一个 10K 欧姆下拉电阻连接到地，以确保按钮未按下时为一个确定的 LOW 状态。按下按钮时，按钮将 P2_27 拉为 HIGH，使 PocketBeagle 能够检测到一个干净的上升沿输入用于屏幕切换。

为了使系统具备功能，我为 LCD、土壤湿度传感器、BMP280、LED 和按钮编写了 python 驱动。一个主驱动随后读取土壤湿度，计算状态 + 干燥等级（使用简单计算器），更新 LED（基于湿度），读取温度并更新 LCD 屏幕。按钮代码用于允许在 4 个显示屏之间切换/循环：

屏幕 0 - 显示土壤湿度百分比和整体状态。

屏幕 1 - 显示简化的干燥等级和状态。

屏幕 2 - 提供一个简短的项目标题和提示用户按键进入下一屏。

屏幕 3 - 显示温度以及土壤湿度，用于组合监测。

我首先使用一个自定义的 configure_pins.sh 脚本来配置 PocketBeagle 引脚，在启动时将所有 GPIO、I2C 和外设引脚设置到正确模式。然后我创建了一个 run.sh 脚本，它切换到项目目录，运行引脚配置，等待电源和 I2C 设备稳定，然后启动主 python 程序。最后，我通过创建一个 systemd 服务来启用自动启动，该服务在启动时调用 run.sh，确保植物监测器在 PocketBeagle 上电（使用 5 伏 USB 充电适配器）时自动运行，而无需连接电脑。或者，你也可以使用日志和一个 cronlog 文件来设置自动启动，并使用命令 sudo crontab -e 来编辑 cron。

只需通过 Micro USB 转 USB-A 线缆和 5 伏 USB 充电适配器将 PocketBeagle 连接到 5V 为设备供电。30 秒后，设备将启动并如下面的视频所示运行。

还有很大的改进空间，包括修复 LCD 的电气稳定性和初始化，以消除长时间运行后偶尔出现的显示故障。我还想增加一个摇杆输入来替代单个按钮，使在不同屏幕之间的导航更平滑、更直观。扩展传感器套件以包括湿度、环境光和额外的温度探头，也将为植物健康提供更完整的图景。加上 Wi-Fi 模块后，系统可以在条件变得不利时向手机发送实时警报或通知。最后，我会激光切割或 3D 打印一个外壳，以提高耐用性、整理性和设备整体展示效果。