1. 功能介绍

本设计是一套基于 Arduino 的视频监控与土壤灌溉一体化系统，结合了环境监测、视频监控和远程控制等多种功能，旨在为农业生产、家庭园艺及温室大棚管理提供智能化、自动化的解决方案。系统不仅能够通过视频监控实现实时画面查看，还能检测烟雾浓度、土壤湿度等环境参数，并通过手机 App 实时显示与远程控制，实现对风扇、水泵等执行设备的控制。

系统的主要功能包括：

1. 视频环境监控
   通过摄像头模块实时采集环境视频数据，并利用无线模块（如 WiFi 或 ESP32 内置网络功能）将视频流推送至手机 App，用户可随时查看现场情况。

2. 烟雾浓度检测
   利用烟雾传感器（如 MQ-2）实时采集空气中的烟雾浓度，当烟雾浓度超过设定阈值时，可触发风扇开启，进行通风换气。

3. 土壤湿度检测与灌溉控制
   土壤湿度传感器检测土壤湿度，当湿度低于设定值时，自动开启水泵进行灌溉，湿度达到上限后自动关闭水泵，防止过度浇水。

4. 手机 App 控制与显示
   用户可通过手机 App 查看实时视频画面、烟雾浓度、土壤湿度等信息，并远程控制风扇、水泵等设备，支持手动与自动两种模式切换。

5. 多任务协同工作
   视频监控与环境检测控制同时进行，不会因视频传输而影响传感器数据采集与设备控制，系统稳定可靠。

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2. 系统电路设计

系统电路由 Arduino 主控电路、视频采集与传输模块、烟雾检测模块、土壤湿度检测模块、风扇驱动电路、水泵驱动电路 和 电源管理电路 组成。

2.1 Arduino 主控电路

Arduino 作为整个系统的核心控制单元，负责采集各类传感器数据、处理视频数据的上传指令、控制执行设备等功能。常用型号可选 Arduino UNO、Arduino Mega 或 ESP32（如果需要更高的网络与视频处理能力，建议使用 ESP32-CAM）。

• I/O 资源分配

  • 数字引脚用于连接烟雾传感器的信号输出、水泵与风扇的继电器控制端。
  • 模拟引脚用于读取土壤湿度传感器的模拟电压值。
  • 串口用于与视频传输模块通信（若使用独立摄像头模块）。

• 时钟与性能
  Arduino UNO 时钟频率为 16MHz，足够完成环境数据采集与设备控制任务，视频流则通过专用模块实现。

2.2 视频采集与传输模块

视频监控功能可通过两种方案实现：

• 方案一：Arduino + 独立 WiFi 摄像头模块（如 ESP32-CAM）
  ESP32-CAM 模块可独立采集视频并通过 WiFi 推送至手机 App，Arduino 与 ESP32-CAM 之间可通过串口通信进行指令交互，例如开始/停止视频、调整分辨率等。
• 方案二：Arduino 直接驱动低分辨率摄像头（OV7670）并上传数据
  由于 Arduino UNO 性能限制，不建议直接处理视频流，此方案仅适合低帧率场景。

视频模块电路主要包括：摄像头电路、电源稳压模块（确保摄像头工作电压稳定），以及与 Arduino 的通信接口。

2.3 烟雾检测模块

使用 MQ 系列传感器（如 MQ-2）进行烟雾浓度检测。该传感器可输出模拟电压信号，与空气中烟雾浓度成正比，Arduino 通过模拟引脚读取电压值进行浓度计算。

• 工作电压：5V
• 输出形式：模拟量 + 数字量（阈值触发）
• 接口方式：VCC 接 5V，GND 接地，AO 接 Arduino 模拟口

2.4 土壤湿度检测模块

土壤湿度传感器用于检测土壤含水量，其工作原理是通过探针测量土壤电阻变化来反映湿度变化。Arduino 读取传感器的模拟电压并转换成湿度百分比。

• 自动灌溉：湿度低于设定阈值时，Arduino 控制继电器开启水泵，湿度恢复到上限时关闭。
• 接口方式：VCC 接 5V，GND 接地，AO 接 Arduino 模拟口。

2.5 风扇驱动电路

风扇通过继电器或 MOSFET 模块驱动，Arduino 输出数字高低电平控制风扇开关。当烟雾浓度过高时自动开启，浓度恢复正常后关闭。

2.6 水泵驱动电路

水泵同样通过继电器模块或 MOSFET 控制，根据土壤湿度传感器数据进行自动开关控制，同时支持手机 App 远程手动控制。

2.7 电源管理电路

整个系统需要 5V 稳压电源，视频模块、Arduino、传感器等均可由同一电源供电，风扇与水泵需根据额定电压配置单独电源，并通过继电器隔离控制。

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3. 程序设计

程序分为 传感器数据采集模块、视频控制模块、自动控制模块、远程通信模块 和 主程序 五大部分。

3.1 传感器数据采集模块

#define SMOKE_PIN A0
#define SOIL_PIN A1

int smokeValue = 0;
int soilValue = 0;

void readSensors() {
    smokeValue = analogRead(SMOKE_PIN);
    soilValue = analogRead(SOIL_PIN);
}

3.2 视频控制模块（ESP32-CAM 控制示例）

void startVideoStream() {
    Serial.println("START_VIDEO"); // 向 ESP32-CAM 发送指令
}

void stopVideoStream() {
    Serial.println("STOP_VIDEO");
}

3.3 自动控制模块

#define FAN_PIN 7
#define PUMP_PIN 8
#define SMOKE_THRESHOLD 400
#define SOIL_LOW_THRESHOLD 300
#define SOIL_HIGH_THRESHOLD 600

void autoControl() {
    if (smokeValue > SMOKE_THRESHOLD) {
        digitalWrite(FAN_PIN, HIGH);
    } else {
        digitalWrite(FAN_PIN, LOW);
    }

    if (soilValue < SOIL_LOW_THRESHOLD) {
        digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
    } else if (soilValue > SOIL_HIGH_THRESHOLD) {
        digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
    }
}

3.4 远程通信模块（示例）

#include <SoftwareSerial.h>

SoftwareSerial BT(10, 11); // 蓝牙 RX, TX

void sendDataToApp() {
    BT.print("SMOKE:");
    BT.println(smokeValue);
    BT.print("SOIL:");
    BT.println(soilValue);
}

void receiveCommandFromApp() {
    if (BT.available()) {
        char cmd = BT.read();
        if (cmd == 'F') digitalWrite(FAN_PIN, HIGH);
        if (cmd == 'f') digitalWrite(FAN_PIN, LOW);
        if (cmd == 'P') digitalWrite(PUMP_PIN, HIGH);
        if (cmd == 'p') digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
    }
}

3.5 主程序

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    BT.begin(9600);
    pinMode(FAN_PIN, OUTPUT);
    pinMode(PUMP_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(FAN_PIN, LOW);
    digitalWrite(PUMP_PIN, LOW);
}

void loop() {
    readSensors();
    autoControl();
    sendDataToApp();
    receiveCommandFromApp();
    delay(500);
}

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4. 总结

本设计将 视频监控 与 土壤灌溉控制 相结合，实现了一个功能丰富的智能农业管理系统。视频模块提供实时可视化监控，传感器模块实时采集烟雾和土壤湿度数据，控制模块根据环境数据实现自动控制，同时通过手机 App 实现远程监控与控制。

该系统具有低成本、可扩展、易实现的特点，可广泛应用于家庭花园、温室大棚、农田灌溉等领域。在后续升级中，可加入环境温度检测、AI 图像分析、历史数据记录等功能，进一步提升系统的智能化水平与实用价值。