基于ZigBee的智能室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

摘 要：針對(duì)室內(nèi)植物多日無(wú)人看護(hù)的難題，研究并設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。將CC2530作為系統(tǒng)主控芯片，與各類傳感器采集模塊及繼電器模塊共同組成ZigBee終端模塊。系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)將采集的植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)傳送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器處理后轉(zhuǎn)發(fā)到WiFi模塊，WiFi模塊再通過(guò)路由器接入云平臺(tái)，用戶可在云平臺(tái)生成的手機(jī)APP或?qū)?yīng)網(wǎng)頁(yè)上查看室內(nèi)植物的實(shí)時(shí)信息，也能根據(jù)需要下發(fā)指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee;CC2530芯片;WiFi;室內(nèi)植物監(jiān)護(hù);傳感器;物聯(lián)網(wǎng);云平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，它逐漸被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于智能家居和智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域后取得了卓越的成就，但眼下卻還沒(méi)有一款具體的實(shí)施方案與室內(nèi)植物的監(jiān)護(hù)相關(guān)[1]。植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖屬于智慧農(nóng)業(yè)中花卉、綠植養(yǎng)殖的范疇，但物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究因環(huán)境、規(guī)模不同無(wú)法直接套用在室內(nèi)的植物監(jiān)護(hù)上[2]。為解決該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)與WiFi技術(shù)相結(jié)合的無(wú)線通信方式可以替代布線等繁瑣的有線傳輸方式，另外，機(jī)智云平臺(tái)的運(yùn)用不僅降低了系統(tǒng)的研發(fā)成本，還將硬件進(jìn)行了智能化升級(jí)，只需要一部智能手機(jī)就能快速訪問(wèn)植物在家中的生長(zhǎng)環(huán)境或進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，極大地方便了用戶使用，解決了家庭及類似環(huán)境中多日無(wú)人看護(hù)綠植的難題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)和本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，將系統(tǒng)分為感知部分、傳輸部分和應(yīng)用部分，功能如下：

（1）感知部分使用傳感器實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集;

（2）傳輸部分以ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式將感知部分采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，最終通過(guò)路由器和云平臺(tái)將采集的數(shù)據(jù)傳送給用戶手機(jī);

（3）應(yīng)用部分利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，并生成手機(jī)APP UI界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程操作。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

感知部分用于植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，由光照強(qiáng)度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器的各終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)。

傳輸部分包括ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、WiFi網(wǎng)關(guān)和路由器。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處理終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?，從中提取出將被顯示給用戶的溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)以AT指令的形式發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊通過(guò)路由器接入云服務(wù)器，將收到的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)客戶端。

應(yīng)用部分利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框架包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、WiFi網(wǎng)關(guān)和路由器等。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圍繞終端節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)展開。終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送;協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮終端節(jié)點(diǎn)的通信技術(shù)以及如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給管理平臺(tái)等問(wèn)題[3]。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee終端模塊由ZigBee開發(fā)板和與之相連的DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度采集模塊、光照強(qiáng)度采集模塊、繼電器控制模塊組成。各數(shù)據(jù)采集傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集植物的3個(gè)主要生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)。

該模塊放置在室內(nèi)植物旁邊，其主要功能如下：

（1）將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后無(wú)線傳輸給協(xié)調(diào)器;

（2）執(zhí)行來(lái)自協(xié)調(diào)器的指令，通過(guò)控制電磁閥打開或關(guān)閉水閥、窗簾、空調(diào)、加濕器、電燈等家用電器，以實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用CC2530芯片作為ZigBee模塊的主控芯片。CC2530內(nèi)部的低功耗8051微控制器內(nèi)核具有代碼預(yù)取功能，性能優(yōu)異且易于學(xué)習(xí)，同時(shí)還擁有強(qiáng)大的外設(shè)、支持4種供電模式[4]，是真正的單芯片解決方案。且其協(xié)議棧對(duì)外開放，可免費(fèi)下載，在無(wú)形中降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。WiFi模塊的主控芯片選用ESP8266芯片，它具有功耗低、價(jià)格低、高度集成、工作溫度范圍超寬等優(yōu)點(diǎn)[5]，可適用于各種場(chǎng)合。

2.3 控制模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中使用的負(fù)載主要包括空調(diào)、窗簾、加濕器和電磁閥等，這些負(fù)載的開閉都需要通過(guò)繼電器控制。單片機(jī)采用輪詢方式監(jiān)測(cè)各傳感器的數(shù)據(jù)采集，并與事先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的開關(guān)信號(hào)“0”或“1”，控制固態(tài)繼電器開閉，從而控制負(fù)載工作。當(dāng)監(jiān)測(cè)到的室內(nèi)溫濕度值高于設(shè)定的閾值時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)將控制空調(diào)、加濕器等設(shè)備的繼電器閉合來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和濕度;同理，當(dāng)監(jiān)測(cè)的土壤濕度低于植物所需值時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)控制繼電器使電磁閥開啟，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉;當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境的光照強(qiáng)度過(guò)強(qiáng)時(shí)，可以自動(dòng)降低窗簾高度。

2.4 傳感器選型

溫度不僅影響植物的光合作用，還影響植物對(duì)水分的吸收，而濕度會(huì)影響植物的蒸騰作用，所以溫濕度對(duì)植物的生長(zhǎng)至關(guān)重要。使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集空氣中的溫度和濕度信息，它不僅響應(yīng)速度快、價(jià)格低，同時(shí)抗干擾能力也十分突出，因此極其適合本系統(tǒng)使用。

土壤濕度過(guò)高容易滋生大量細(xì)菌，危害植物的生長(zhǎng);土壤濕度過(guò)低，植物無(wú)法充分吸收土壤中的養(yǎng)分。YL-69土壤濕度傳感器的感應(yīng)表面經(jīng)過(guò)加寬與鍍鎳處理后，具有導(dǎo)電性好、防銹、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。另外，電位器可以調(diào)節(jié)和控制相應(yīng)閾值，能在很寬的范圍內(nèi)控制土壤的濕度。

室內(nèi)光照強(qiáng)度會(huì)影響植物的光合作用和呼吸作用，采用GY-30光照傳感器來(lái)采集室內(nèi)的光照強(qiáng)度。GY-30輸出數(shù)字信號(hào)，省略了復(fù)雜的計(jì)算;兩線式串行的總線接口方便讀取數(shù)據(jù);傳感器探測(cè)光照強(qiáng)度范圍大，分辨率高[6]。GY-30光照傳感器完全可滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要有三個(gè)通信過(guò)程，即ZigBee組網(wǎng)、WiFi初始化后通過(guò)路由器接入云服務(wù)器、云端與手機(jī)APP通信。軟件設(shè)計(jì)主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和WiFi模塊程序設(shè)計(jì)，以及云服務(wù)器的搭建與安卓APP的設(shè)計(jì)。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)完成Z-Stack初始化后，只需加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組建網(wǎng)絡(luò)，就可以調(diào)用各傳感器來(lái)采集植物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，并定時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收來(lái)自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下發(fā)的開關(guān)指令，調(diào)用繼電器模塊開關(guān)水閥等，完成環(huán)境參數(shù)采集和遠(yuǎn)程調(diào)控任務(wù)。為了最大限度降低功耗，增加終端節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間，設(shè)計(jì)中增加了終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)睡眠和定時(shí)喚醒功能[7]。

終端節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化工作流程如圖2所示。

3.2 云平臺(tái)的接入及手機(jī)APP的生成

利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程控制。該云平臺(tái)提供了從產(chǎn)品項(xiàng)目創(chuàng)建、設(shè)備快速接入、應(yīng)用端開發(fā)、產(chǎn)品考量、云端搭建等覆蓋從設(shè)備接入到運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理的全生命周期服務(wù)。當(dāng)我們?cè)跈C(jī)智云平臺(tái)上新建項(xiàng)目，并為項(xiàng)目添加數(shù)據(jù)點(diǎn)后，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的手機(jī)APP UI界面，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示并下發(fā)控制命令。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)測(cè)

將WiFi模塊連接到ZigBee的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，然后為各模塊上電重啟，待各模塊正常工作后，即可看到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的顯示屏上顯示終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)，表示ZigBee組網(wǎng)成功。在手機(jī)APP上，設(shè)備列表中的項(xiàng)目被點(diǎn)亮激活，表示W(wǎng)iFi模塊已接入云端，并能從服務(wù)器上正常發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3所示為手機(jī)客戶端UI界面，可以看到，數(shù)據(jù)均能正常顯示，表示系統(tǒng)正常運(yùn)行，測(cè)試完成。

4 結(jié) 語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為智能家居的補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)綠植的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)灌溉，方便人們實(shí)時(shí)了解綠植的生長(zhǎng)環(huán)境，不僅節(jié)約了使用者的時(shí)間，更實(shí)現(xiàn)了他們家中無(wú)人綠植也可以正常生長(zhǎng)的愿望。該系統(tǒng)方便人們養(yǎng)護(hù)綠植，提高了室內(nèi)綠植的存活率，同時(shí)拓展了智能家居的范疇，為家居植物的種植智能化發(fā)展提供了可能。

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作者簡(jiǎn)介：霍道偉（1995—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。