一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

曹麗平，楊 鵬，徐新宇，楊金鋒，賴齊賢*，陳麗妮

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安 311300；2.湘潭大學(xué)，湖南湘潭 411105；3.杭州市農(nóng)業(yè)教育培訓(xùn)中心，浙江杭州 310017）

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)

曹麗平1，楊 鵬2，徐新宇2，楊金鋒1，賴齊賢1*，陳麗妮3

（1.浙江農(nóng)林大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品科學(xué)學(xué)院，浙江臨安 311300；2.湘潭大學(xué)，湖南湘潭 411105；3.杭州市農(nóng)業(yè)教育培訓(xùn)中心，浙江杭州 310017）

為了將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家庭園藝養(yǎng)護(hù)中，使其變得更為簡(jiǎn)便和智能化，故對(duì)家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并制作出一套樣品。系統(tǒng)主要包括采集器、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)界面及控制器，采用nRF24L01無線網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭綠化區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能養(yǎng)護(hù)管理。根據(jù)采集的溫度、土壤濕度、光照強(qiáng)度做出決算，無線控制澆水、補(bǔ)光、噴霧，調(diào)節(jié)植物生長的小環(huán)境。

家庭園藝；自動(dòng)控制系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；nRF24L01

家庭園藝是指在居室內(nèi)、陽臺(tái)、屋頂、露臺(tái)或庭院等空間范圍內(nèi)從事園藝植物栽培和裝飾的活動(dòng)。家庭園藝植物能夠起到調(diào)節(jié)濕度、凈化空氣等作用［1］，還能給人心理上積極的暗示［2-4］，家庭園藝逐漸成為潮流，同樣也意味著人們生活態(tài)度的轉(zhuǎn)變。時(shí)代在進(jìn)步，植物的養(yǎng)護(hù)技術(shù)也在不斷更新［5-7］。在物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展時(shí)期［8-10］，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到植物養(yǎng)護(hù)上可解決很多植物愛好者的困擾。家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)采用無線通訊技術(shù)，便于安裝和控制，適于家庭使用。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要功能包括自動(dòng)采集環(huán)境信息，自動(dòng)控制澆水、噴霧、補(bǔ)光等。自動(dòng)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)主要分為采集器、控制器、網(wǎng)關(guān)、上位機(jī)和無線通訊網(wǎng)絡(luò)5個(gè)部分（圖1）。采集器采集的信息通過網(wǎng)關(guān)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)做出決定，再通過網(wǎng)關(guān)向控制器傳遞命令，控制器負(fù)責(zé)執(zhí)行命令。在系統(tǒng)中，采集器相當(dāng)于神經(jīng)末梢，負(fù)責(zé)感受“刺激”，并向上位機(jī)傳遞感知信息；上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的大腦，負(fù)責(zé)接收信號(hào)、做出決算和發(fā)出命令；無線通訊網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于神經(jīng)，為信息的傳遞提供渠道，貫穿于整個(gè)系統(tǒng)中；網(wǎng)關(guān)是樞紐，能夠進(jìn)行信息的接收和轉(zhuǎn)換，連接上位機(jī)和其他端口；而控制器相當(dāng)于肌肉組織，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的命令，做出實(shí)際操作。

圖1 養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2 采集器

2.1 采集器硬件設(shè)計(jì)

采集器采集的信息主要包括光強(qiáng)、土壤濕度和溫度，采用光敏傳感電阻、溫度傳感器和土壤濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)信息的采集。采集端傳感器的選擇，決定著采集模塊的實(shí)現(xiàn)方式，影響著電路和程序的復(fù)雜程度，也會(huì)在運(yùn)行中影響到系統(tǒng)的整體性能。光敏傳感器選用5516光敏電阻，為高阻小功率器件。溫度傳感器選用TNC75，為數(shù)字溫度傳感器，帶有用戶可編程寄存器，TNC75測(cè)量范圍為-50～125℃，精度為±1.5℃。土壤濕度傳感器選用模擬土壤濕度傳感器yl-69。采集端電路設(shè)計(jì)主要包括供電模塊、無線通信模塊、濕度采集模塊、光強(qiáng)采集模塊、溫度采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出的電路圖在工廠做出樣板，并焊接元器件，在STC-ISP平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行nRF24L01信號(hào)收發(fā)測(cè)試，結(jié)果證實(shí)采集端電路設(shè)計(jì)的可行性。采集器樣板及采集器實(shí)物見圖2。

圖2 采集器（A）電路板圖（B）的實(shí)物

2.2 采集器軟件設(shè)計(jì)

采集器采用型號(hào)為IAP15F2K61S2的單片機(jī)芯片，采用keilC51和STC-ISP進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。采集器軟件設(shè)計(jì)主要包括無線通訊協(xié)議的設(shè)定以及信號(hào)的轉(zhuǎn)化。土壤濕度傳感器和光敏傳感器的輸出都為模擬信號(hào)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前必須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)行發(fā)送。

系統(tǒng)采用nRF24L01無線網(wǎng)絡(luò)，在100 m內(nèi)節(jié)點(diǎn)間能進(jìn)行有效通信［11-13］，采集器是無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過單片機(jī)的SPI接口可以選擇功率頻道以及對(duì)采集器進(jìn)行通信協(xié)議的設(shè)定。通信協(xié)議主要包括識(shí)別溫度、光強(qiáng)、濕度采集命令的格式，以及在向上發(fā)送溫度、光照、濕度數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)包格式。系統(tǒng)中設(shè)定了6個(gè)字節(jié)的命令格式和數(shù)據(jù)包格式，第1個(gè)字節(jié)標(biāo)示數(shù)據(jù)長度，第2個(gè)字節(jié)用于識(shí)別命令類別，第3個(gè)字節(jié)用于識(shí)別地址，第4和第5個(gè)字節(jié)用于區(qū)別命令的內(nèi)容和信息，第6個(gè)字節(jié)是結(jié)束標(biāo)志（表1）。

3 控制器

3.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

考慮到家居環(huán)境中水電通道分布的不確定性，系統(tǒng)中采用了4個(gè)獨(dú)立的控制器，兼可通過無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一控制，包括澆水、噴霧、補(bǔ)光、景觀燈控制器。4個(gè)控制器具有相同的電路和硬件，通過不同的程序設(shè)計(jì)就能輕松地識(shí)別控制器的功能達(dá)到準(zhǔn)確控制的目的?？刂破鞯碾娐吩O(shè)計(jì)主要包括nRF24L01無線收發(fā)模塊、供電模塊、繼電器模塊等幾個(gè)方面。在設(shè)計(jì)好電路圖的基礎(chǔ)上送入工廠做出樣板，焊接電子元器件，并進(jìn)行了測(cè)試（圖3）。3.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

表1 采集器的通信協(xié)議

圖3 控制器（A）電路板圖（B）的實(shí)物

4個(gè)控制器硬件是相同的，軟件設(shè)計(jì)能夠劃分控制器的種類和區(qū)域。控制器有4種，分別是澆水控制器、噴霧控制器、補(bǔ)光控制器和景觀燈控制器，在本系統(tǒng)的無線通信協(xié)議中，每個(gè)控制器帶有1個(gè)唯一的地址，即可實(shí)現(xiàn)1個(gè)主機(jī)控制多個(gè)綠化場(chǎng)所。例如，1個(gè)家庭在陽臺(tái)、屋頂都有綠化面積，就可用2個(gè)具有不同地址的控制器來控制澆水，上位機(jī)可區(qū)分控制器所在區(qū)域。控制器的通信協(xié)議，接受命令有開、關(guān)、讀狀態(tài)、取反4種，分別用4種不同的6字節(jié)長度數(shù)據(jù)包格式，控制器向上位機(jī)主要是發(fā)送狀態(tài)（表2）。

表2 控制器的通信協(xié)議

4 網(wǎng)關(guān)及上位機(jī)界面

4.1 網(wǎng)關(guān)

本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)的主要作用是接收無線信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，通過USB接口將信號(hào)傳入上位機(jī)，同樣也能將上位機(jī)需要發(fā)出的命令轉(zhuǎn)化為無線信號(hào)發(fā)出，是系統(tǒng)的樞紐。

4.2 上位機(jī)界面

系統(tǒng)中的控制面板選用LabVIEW進(jìn)行開發(fā)，采用LabVIEW做出來的家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)界面猶如一個(gè)儀器，使得整個(gè)系統(tǒng)功能均可通過界面來完成。LabVIEW是1種圖形編輯語言［14］，每個(gè)程序都有2個(gè)基本窗口:前面板（front Panel）窗口和流程圖（block diagram）窗口。同樣本系統(tǒng)的上位機(jī)界面也有2個(gè)窗口，用戶操作可以通過前面板進(jìn)行（圖4），前面板操作起來非常簡(jiǎn)單，用戶無須懂得通信技術(shù)和通信協(xié)議就能完成系統(tǒng)所有操作，用戶可通過電腦上界面查看采集器和控制器的狀態(tài)，了解綠化區(qū)域的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)，對(duì)燈關(guān)、灌溉、噴霧等開關(guān)進(jìn)行手動(dòng)控制。而流程圖窗口實(shí)際上是程序員用圖形語言編寫LabVIEW程序（稱為VI程序）源代碼的窗口（圖5），用戶無須了解。

圖4 上位機(jī)的前界面

圖5 上位機(jī)的程序框架

5 系統(tǒng)特性

物聯(lián)網(wǎng)家庭園藝養(yǎng)護(hù)控制系統(tǒng)是家庭園藝養(yǎng)護(hù)技術(shù)和通信技術(shù)、傳感技術(shù)的集成，一個(gè)便捷的控制系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)家庭綠化的智能管理，優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境，又方便融入智能家居管理系統(tǒng)的整體，使家庭生活更便捷舒適。

5.1 自動(dòng)化程度高

本系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化程度，能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)化管理。用戶只需通過上位機(jī)界面設(shè)定環(huán)境參數(shù)，采樣周期、設(shè)備地址等參數(shù)就能自動(dòng)管理。系統(tǒng)自動(dòng)采集參數(shù)，自動(dòng)將參數(shù)向網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)傳送，上位機(jī)自行判斷后自動(dòng)發(fā)送控制命令，將環(huán)境參數(shù)控制在適合家庭園藝植物生長的范圍內(nèi)。

5.2 集成度高

系統(tǒng)集成度高體現(xiàn)在采集參數(shù)的多樣和控制端多樣方面。采集端集成3個(gè)傳感器，即土壤濕度傳感器、溫度傳感器和光敏傳感器，且能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和發(fā)送。采集端的采集參數(shù)很全面，從而能為養(yǎng)護(hù)管理提供更好更全面的依據(jù)?？刂贫思闪藵菜刂?、噴霧控制、補(bǔ)光控制和景觀燈控制4個(gè)方面，突破了單一的澆水控制，為養(yǎng)護(hù)家庭園藝植物提供更好的生長環(huán)境。

5.3 布局靈活

養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)采用無線通訊方式，網(wǎng)關(guān)、采集端、控制端是分離的，從合理利用資源角度出發(fā)，適合采取不同的供電方法。網(wǎng)關(guān)與PC機(jī)相接，可直接采用USB接口供電，采集端采用調(diào)制器將220 V交流電調(diào)制成12 V直流電供電；控制器利用220 V交流電，在外圍電路的調(diào)制下轉(zhuǎn)化為5 V直流電為各控制模塊供電。系統(tǒng)采用無線通訊，布局靈活度高，能免去布線的麻煩，且不受空間限制，即不論用戶家庭空間的大小，植物分布的遠(yuǎn)近，均可靈活布置采集器和控制器，且添置和刪減都很方便，可靈活選擇采集參數(shù)及控制器的種類。例如在庭院等光照和雨水較充足的地方，可刪去補(bǔ)光控制和放寬澆水控制。

5.4 可擴(kuò)展性強(qiáng)

通過對(duì)端口進(jìn)行地址設(shè)置，理論上系統(tǒng)最多可獨(dú)立養(yǎng)護(hù)256處綠化場(chǎng)所，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)管理。例如，一棟公寓里有6層，每層10戶人家，整棟公寓可用1個(gè)養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一自動(dòng)管理，給60戶人家各分配1個(gè)地址，在管理中心可獨(dú)立自動(dòng)控制每戶人家的園藝養(yǎng)護(hù)，通過地址可查詢每戶人家的養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。

總的來說，應(yīng)用最新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。但系統(tǒng)只是初步實(shí)現(xiàn)，有更多細(xì)節(jié)和功能有待進(jìn)一步完善和開發(fā)。

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（責(zé)任編輯：張瑞麟）

F 062.9

A

0528-9017（2015）03-0433-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20150346

2014-12-04

浙江省自然科學(xué)基金（LY13C150005）；浙江省新苗人才計(jì)劃（2013R412053）

曹麗平（1989-），女，湖南益陽人，家庭園藝方向碩士研究生。E-mail:cao.bellis@gmail.com。

賴齊賢（1965-），教授，博士。E-mail:laiqixian@zafu.edu.cn。

文獻(xiàn)著錄格式:曹麗平，楊鵬，徐新宇，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)的家庭園藝智能養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，56（3）:433-436.