智慧花房的設(shè)計(jì)研究

馬越洋　張惠　張志琪　郭相龍　呂俊龍

摘要：近年來，國民越來越注重生活水平和質(zhì)量，紛紛嘗試著在室內(nèi)居住環(huán)境和辦公環(huán)境中擺放綠植以達(dá)到休息放松和美化環(huán)境的目的。但由于生活工作節(jié)奏的日趨加快，人們由于缺乏時(shí)間、經(jīng)驗(yàn)等原因很難對(duì)花卉綠植進(jìn)行很好的養(yǎng)護(hù)。因此，利用當(dāng)下熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在全新家居生活理念的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)智慧花房來滿足人們對(duì)品質(zhì)生活的需求很有必要。文章首先講述了研究背景，再闡明了智慧花房整體的設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)怎樣實(shí)現(xiàn)對(duì)花房進(jìn)行智能控制以及對(duì)花房中的溫濕度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和數(shù)據(jù)的處理以及傳送，以達(dá)到對(duì)花房中的植物進(jìn)行智能化、科學(xué)化的管理，滿足人們“云養(yǎng)花”的愿望。

關(guān)鍵詞：智能;綠色生活;傳感器網(wǎng)絡(luò);Zigbee無線通信技術(shù);阿里云服務(wù)技術(shù);Android移動(dòng)通信技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）01-0237-03

Abstract： In recent years， citizens have paid more and more attention to the standard of living and quality， and have tried to place green plants in the indoor living environment and office environment to achieve the purpose of rest and relaxation and beautification of the environment. However， due to the accelerating pace of life and work， it is difficult for people to maintain good flowers and green plants due to lack of time and experience. Therefore， it is necessary to design smart gardens to meet people's demand for quality life based on the new home life concept using the current popular Internet of Things technology. The article firstly describes the research background， and then clarifies the overall design ideas of the smart flower house， focusing on how the system realizes the intelligent control of the flower house and the real-time feedback and data processing and transmission of the temperature and humidity parameters in the flower house to achieve the plants in the flower house are managed intelligently and scientifically to satisfy people's desire to "grow flowers in the Cloud Culture ".

Key words： intelligence; green life; sensor network; Zigbee wireless communication technology; Alibaba cloud service technology; Android mobile communication technology

隨著科技的進(jìn)步以及生活水平的改善，將現(xiàn)下熱門技術(shù)與人民實(shí)際生活需要相融合更是大勢(shì)所趨。目前許多公司例如小米等也紛紛將市場(chǎng)中心轉(zhuǎn)移到家居方面。將當(dāng)下大熱的科學(xué)技術(shù)與其他領(lǐng)域跨界融合，有望為技術(shù)升級(jí)與市場(chǎng)擴(kuò)張上獲得持續(xù)助力。

對(duì)于家居植物的種植來說，目前市場(chǎng)上存在的產(chǎn)品主要有智能花盆、溫室花房兩種。但在實(shí)際應(yīng)用中，智能花盆功能較為單一，智能化程度低，操作復(fù)雜。而現(xiàn)有的家居花房，其搭建不僅成本高昂，而且存在著布線困難、工程量大、實(shí)時(shí)性差等問題。本文針對(duì)上述問題，通過對(duì)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)、通信協(xié)議、通信方式以及植物種植相關(guān)的傳感器、系統(tǒng)常見的控制方式等進(jìn)行研究分析，提出了智慧花房植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由無線傳感器數(shù)據(jù)采集平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)平臺(tái)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心三部分組成。在養(yǎng)花區(qū)域利用溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2氣敏傳感器等傳感器以及攝像頭實(shí)時(shí)采集花房內(nèi)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)等上傳至Crox-A8智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器，最后應(yīng)用程序直接通過阿里云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)展示到用戶界面上。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總分析，通過與程序預(yù)設(shè)值進(jìn)行比對(duì)，從而控制相關(guān)設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù);用戶還可通過手機(jī)等設(shè)備了解花房環(huán)境以及植物的生長狀況，增加其使用感和參與感。

2 系統(tǒng)軟件流程

設(shè)計(jì)方式硬件層代碼程序開發(fā)軟件為IAR，各傳感器的驅(qū)動(dòng)程序以及相關(guān)灌溉等設(shè)備的控制程序、網(wǎng)關(guān)的預(yù)設(shè)值比對(duì)程序用C語言編寫，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序;終端顯示使用安卓嵌入WEB的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，界面使用軟件Webstorm以及Eclipse通過WEB程序編寫。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際的功能需求及控制設(shè)備將系統(tǒng)分為四個(gè)小系統(tǒng)：噴灌系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、光控系統(tǒng)、空氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)都由一個(gè)CC2530協(xié)調(diào)器、一個(gè)stm32、一個(gè)顯示屏及若干傳感器組成。四個(gè)小系統(tǒng)又通過Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530協(xié)調(diào)器上面，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至Crotex-A8智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)又將數(shù)據(jù)發(fā)送至阿里云服務(wù)器，最后Android應(yīng)用程序直接通過阿里云服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)展示到界面上。同時(shí)，CC2530將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至底板的stm32上，stm32將數(shù)據(jù)展示到屏幕上。用戶可通過手機(jī)終端查看花房內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，還可以自己調(diào)節(jié)或利用智能網(wǎng)關(guān)的預(yù)設(shè)程序自動(dòng)對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)在整個(gè)系統(tǒng)中還可通過USB在智能網(wǎng)關(guān)上連接攝像頭對(duì)花房內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方便用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3.1 溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器是傳感器其中的一種，多以溫濕度一體式的探頭作為測(cè)溫元件，將溫度和濕度信號(hào)采集出來，按一定的規(guī)律變換成電信號(hào)或其他所需信號(hào)形式輸出，讓用戶可以直觀看到溫濕度信息。在溫濕度傳感器模塊中，采用SHT10傳感器用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度，其工作電壓為2.4～5.5V，測(cè)濕精度為±4.5%RH，25℃時(shí)測(cè)溫精度為±0.5℃。采用SMD貼片封裝傳感器SHT10可以采集溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)，并且將模擬量轉(zhuǎn)換為可讀的數(shù)字量輸出，所以用戶只需按照它提供的接口將溫濕度數(shù)據(jù)讀取出來即可。

3.2 光照度采集傳感器模塊

光照度傳感器采用對(duì)弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏作為探測(cè)器。因其具有測(cè)量范圍寬、線形度好、防水性能好、使用方便、便于安裝、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，所以適用于各種場(chǎng)所，尤其適用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等場(chǎng)所。根據(jù)不同的測(cè)量場(chǎng)所，配合不同的量程，安裝使用方便、抗干擾能力強(qiáng)，更是讓其受到大眾的青睞。

3.3 CO2氣敏傳感器模塊

二氧化碳傳感器是用于檢測(cè)二氧化碳濃度的機(jī)器。其用一個(gè)廣譜的光源作為紅外傳感器的光源，光線穿過光路中的被測(cè)氣體，透過窄帶濾波片，到達(dá)紅外探測(cè)器。其工作原理是基于不同氣體分子的近紅外光譜選擇吸收特性，利用氣體濃度與吸收強(qiáng)度關(guān)系（朗伯-比爾Lambert-Beer定律）鑒別氣體組分并確定其濃度的氣體傳感裝置。

本系統(tǒng)采用了MIX6010二氧化碳傳感器是利用非色散紅外NDIR原理對(duì)空氣中二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有很好的選擇性和無氧氣依賴性，并且內(nèi)置溫度補(bǔ)償。該傳感器同時(shí)具備模擬輸出，串口輸出，PWM等多種輸出接口，可以單獨(dú)校準(zhǔn)，很方便的與用戶進(jìn)行產(chǎn)品的對(duì)接。MIX6010是一款緊湊型的智能小型二氧化碳傳感器，將成熟的紅外吸收氣體檢測(cè)技術(shù)與精密光路設(shè)計(jì)和精良電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合起來制作的高性能傳感器。

3.4 Zigbee處理器模塊

物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器在布局的時(shí)候，一般采用的都是傳統(tǒng)CDMA或GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，但隨之而來的或有運(yùn)營費(fèi)用高、規(guī)模大、短距離傳輸需求高等問題，因此，本系統(tǒng)采用Zigbee自組網(wǎng)。因其具有智能、方便、易建設(shè)、低成本、低功耗和免費(fèi)使用等特點(diǎn)，比較適合作為物聯(lián)網(wǎng)中傳感網(wǎng)的通信方式。并且Zigbee也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字家庭、智能交通、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，技術(shù)也已經(jīng)比較成熟。

系統(tǒng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530芯片。C2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他強(qiáng)大的功能。其四種不同的閃存版CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。因其具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，并且其運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3.5 Crotex-A8網(wǎng)關(guān)處理器模塊

總體結(jié)構(gòu)中，本系統(tǒng)采用了ARM Crotex-A8控制板作為核心部分，負(fù)責(zé)控制網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信和信息、數(shù)據(jù)等的處理。Cortex-A8其處理器的速率在600MHz到超過1GHz的范圍內(nèi)的這一特性，能夠滿足那些工作在300mW以下的功耗優(yōu)化的移動(dòng)設(shè)備和2000 Dhrystone MIPS的性能優(yōu)化的消費(fèi)類應(yīng)用的需求。因此，本系統(tǒng)采用ARM Crotex-A8作為網(wǎng)關(guān)處理部分，能夠保證花房內(nèi)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸以及花房內(nèi)相關(guān)設(shè)備的及時(shí)控制。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案，利用當(dāng)下熱門的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與家居生活跨界融合，不僅適用于管理盆栽較少的環(huán)境，也能管理盆栽較多的場(chǎng)合，操作簡單，智能化程度較高，減少了人們對(duì)盆栽花卉的日常管理，能夠讓早出晚歸的上班族輕輕松松養(yǎng)殖自己喜愛的植物，并且不需要每天親自澆水施肥，在花房里就能夠進(jìn)行一系列自動(dòng)化操作，還可以感知何時(shí)需要澆水施肥，并自動(dòng)完成所感知到的任務(wù)，讓現(xiàn)在繁忙生活的人們體會(huì)到“云養(yǎng)花”的快樂。同時(shí)本系統(tǒng)對(duì)花卉盆栽的智慧照顧，減少了水資源、電力資源等的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了資源的優(yōu)化利用和科學(xué)性使用，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

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