基于物聯(lián)網(wǎng)的小型植物培養(yǎng)系統(tǒng)設(shè)計*

翟豐鋆，謝佳琦，胡 力，朱長城

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 湖南 吉首 416000)

為了提高室內(nèi)植物的存活率，需要充分考慮溫度、濕度和光照等方面的生態(tài)條件[1-3]，這將花費(fèi)人們大量的時間和精力.為此，王光耀等[4]基于傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一套家居植物智能澆灌系統(tǒng)，子系統(tǒng)使用WIFI技術(shù)分別與路由網(wǎng)關(guān)連接，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程澆灌，然而其WIFI節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立，常規(guī)條件下與路由網(wǎng)關(guān)連接的個數(shù)為10～40，無法完成大規(guī)模部署.吳瑞坤等[5]基于ZigBee和Internet技術(shù)設(shè)計了一套植物培養(yǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對植物的遠(yuǎn)程監(jiān)測、控制和多模式管理，但是無法實(shí)現(xiàn)對不同植物的自動調(diào)控.為了解決這些問題，筆者將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能管理和移動終端相結(jié)合，擬設(shè)計一套基于物聯(lián)網(wǎng)的小型植物培養(yǎng)系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)低功耗局域網(wǎng)協(xié)議的ZigBee技術(shù)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使用先進(jìn)的傳感器技術(shù)采集植物的生長信息.無線傳感網(wǎng)絡(luò)各終端設(shè)備將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過4G網(wǎng)絡(luò)通訊模塊將協(xié)調(diào)器傳輸過來的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器.用戶通過手機(jī)App，可以查看植物生長情況和查詢花卉品種專業(yè)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)無人托管.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall Framework of the System

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee探測節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，其RF收發(fā)器性能優(yōu)良且自帶標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU.1個ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上可容納65 536個節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)之間可相互通信[6].ZigBee節(jié)點(diǎn)的功能是數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制， ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)控制、節(jié)點(diǎn)增減，以及ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接受和轉(zhuǎn)發(fā).

系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示.其工作原理為：ZigBee探測節(jié)點(diǎn)每隔2 s采集1次傳感器信息，傳感器信息無線傳輸至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器與STM32F407 MCU之間采用串口通信，MCU通過4G串口模塊將傳感器信息和攝像頭采集的圖像信息發(fā)送至服務(wù)器.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(圖3).ZigBee協(xié)調(diào)器將接收到的探測節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過串口傳送至網(wǎng)關(guān)，其優(yōu)點(diǎn)是管理維護(hù)容易、節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展、移動方便，且便于故障的診斷與隔離.

圖2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)Fig. 2 Hardware Design Block Diagram

圖3 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig. 3 Wireless Sensor Network Structure of the ZigBee

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee協(xié)調(diào)器和探測節(jié)點(diǎn)

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)全自動組網(wǎng)，用戶根據(jù)需求可隨意添加或刪除ZigBee探測節(jié)點(diǎn).協(xié)調(diào)器將分散在室內(nèi)各個角落的ZigBee節(jié)點(diǎn)傳輸過來的傳感器數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器.其程序流程如圖4所示.

圖4 Zigbee協(xié)調(diào)器程序流程Fig. 4 Flow Chart of the ZigBee Coordinator

ZigBee節(jié)點(diǎn)通過溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器和土壤濕度傳感器分別監(jiān)測空氣溫濕度、光照強(qiáng)度和土壤濕度，并控制澆水裝置、紅藍(lán)LED燈和制熱設(shè)備.其程序流程如圖5所示.

圖5 Zigbee探測節(jié)點(diǎn)程序流程Fig. 5 Flow Chart of the ZigBee Detection Node

3.2 服務(wù)器

Netty具有高并發(fā)和傳輸快等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地滿足物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器數(shù)據(jù)量大、傳輸實(shí)時性高的要求[7]，因此服務(wù)器采用基于Netty的通信框架.Netty提供異步的、事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序框架和工具，用以快速開發(fā)高性能、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和客戶端程序.服務(wù)端序列如圖6所示.

圖6 基于Netty的服務(wù)端序列Fig. 6 Server Sequence Based on Netty

服務(wù)器端主程序設(shè)計流程如圖7所示.其中MessageBuff為協(xié)議體緩存的字節(jié)數(shù)組，ctx為與服務(wù)器連接的通信對象，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是通過對象ctx.

圖7 服務(wù)器端主程序設(shè)計流程 Fig. 7 Main Program Design Flow of the Server

3.3 手機(jī)客戶端

手機(jī)客戶端為Android客戶端，采用Android Studio開發(fā).用戶登錄賬戶后綁定網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在網(wǎng)關(guān)設(shè)備中可以添加6 000多個ZigBee節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)管理子系統(tǒng).手機(jī)客戶端功能流程如圖 8所示.

圖8 機(jī)客戶端功能流程Fig. 8 Flow Chart of the Mobile Phone

4 應(yīng)用實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

實(shí)驗(yàn)于2018年1 月進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖闊o人托管，培養(yǎng)花卉為君子蘭.君子蘭冬季生長適宜溫度是15～20 ℃，土壤濕度是40%，每天接受8 h光照.在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中，設(shè)定冬季時間為11月至次年1月，溫度為20 ℃，土壤濕度為40%，補(bǔ)光光照時間為17:30—18:30，光照強(qiáng)度為5 000 Lux.培養(yǎng)系統(tǒng)如圖9所示.

圖9 培養(yǎng)系統(tǒng)Fig. 9 Experimental Culture System

4.2 實(shí)驗(yàn)操作

手機(jī)客戶端上選擇1號ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備，設(shè)置模式為無人托管，時間為1月，植物種類為君子蘭，如圖10所示.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與專業(yè)數(shù)據(jù)庫里的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)較接近，如圖11所示.

圖10 無人托管設(shè)置界面Fig. 10 Interface of Unmanaged Setting

圖11 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控界面Fig. 11 Interface of Remote Data Monitoring

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的小型植物培養(yǎng)系統(tǒng)，將無線傳感網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器、手機(jī)客戶端互聯(lián)，經(jīng)常遠(yuǎn)行或缺乏管理經(jīng)驗(yàn)的人通過手機(jī)客戶端，就能利用花卉品種專業(yè)數(shù)據(jù)庫對不同植物在不同季節(jié)的生長狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控.此外，由于通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以對室內(nèi)(或特定場所)所有分散的植物進(jìn)行統(tǒng)一管理，因此企業(yè)用戶能在無人托管模式下實(shí)現(xiàn)植物智能管理的大規(guī)模部署.