基于物聯(lián)網(wǎng)的智能迷你溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

過琦芳 許宏圖 李天賜 高蓮春

摘要：在陽臺或院子里智能化種植各種蔬菜、花卉成為一種時尚。本文采用Zigbee技術(shù)和Android平臺設(shè)計出智能迷你溫室監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器自動監(jiān)測溫室內(nèi)的空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度等環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果自動控制風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、滴灌設(shè)備的運行，從而使溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)保持在最佳范圍內(nèi)，保證植物的健康生長。

關(guān)鍵詞：Zigbee；Android；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP732 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著人們對高品質(zhì)生活的追求以及對食品安全的日益重視，在陽臺或者院子里種植各種蔬菜及花卉成為一種時尚，不僅可以陶冶情操，而且可以吃到綠色無農(nóng)藥的蔬菜，可謂是一舉兩得。但由于受季節(jié)以及種植條件的限制，一般只能種植一些生命力強(qiáng)，易于管理的植物，而且種植人員需花費大量的時間和精力進(jìn)行手動管理，這對于年輕的上班族來說，是很難實現(xiàn)的。

本文針對以上存在的不足，設(shè)計出智能迷你溫室監(jiān)控系統(tǒng)。用戶可以通過手機(jī)查看溫室內(nèi)的溫濕度、光照度等環(huán)境參數(shù)，并可以設(shè)置參數(shù)的上下限閥值，當(dāng)超過或低于閥值時，自動開啟或關(guān)閉相應(yīng)的機(jī)電設(shè)備，保證植物生長在最佳環(huán)境內(nèi)，從而實現(xiàn)各種蔬菜、花卉的智能化種植。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

整個系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖l所示。系統(tǒng)由Zigbee監(jiān)控節(jié)點、協(xié)調(diào)器、WiFi網(wǎng)關(guān)、Android移動客戶端組成。系統(tǒng)采用Zigbee技術(shù)組建星型網(wǎng)絡(luò)，Zigbee監(jiān)控節(jié)點采集溫濕度、光照度、土壤溫濕度等信息，定時通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，同時根據(jù)設(shè)定的閥值自動控制相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的運行。協(xié)調(diào)器通過串口將接收到的環(huán)境信息發(fā)送給WiFi網(wǎng)關(guān)，安卓移動客戶端和WiFi網(wǎng)關(guān)之間采用socket通信，通過APP查詢迷你溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息并實現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的電氣控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的Zigbee協(xié)調(diào)器和Zigbee監(jiān)控節(jié)點都采用TI公司的CC2530F256作為核心芯片。CC2530F256是TI公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式Zigbee應(yīng)用的片上系統(tǒng)，它完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE802.15.4協(xié)議，采用倒F天線，只需很少的外圍電路就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能Ⅲ。協(xié)調(diào)器和監(jiān)控節(jié)點都采用外部5V電源供電，由底板上的電源轉(zhuǎn)換模塊AMS1117轉(zhuǎn)換為3.3V電壓為整個電路板供電。協(xié)調(diào)器的串口接口采用MAX3232芯片，連接CC2530單片機(jī)的P0.2和P0.3引腳。監(jiān)控節(jié)點的溫濕度傳感器采用DHT11，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度符合傳感器，具有極高的可靠性和卓越的穩(wěn)定性，采用單線制串行接口，連接CC2530的P0.7[2]。光照度傳感器采用光敏電阻MG45，是一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定可靠的特點，單總線輸出，連接CC2530的P0.6。土壤溫濕度的測量采用DSW-T2型土壤水分溫度傳感器，4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號輸出，連接CC2530的P0.5。DHT11、MG45和DSW-T2與單片機(jī)的接線圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)采用IAR集成開發(fā)環(huán)境，協(xié)議棧采用TI公司的ZStack協(xié)議棧。ZStack完全支持符合IEEE 802.15.4/2igbee標(biāo)準(zhǔn)的CC2530片上系統(tǒng)（Soc），集成了Zigbee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的各層功能，使用標(biāo)準(zhǔn)的C語言，用戶只需要根據(jù)實際需要對其應(yīng)用層進(jìn)行修改就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。移動客戶端應(yīng)用軟件的開發(fā)采用Android開發(fā)平臺來實現(xiàn)。

3.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器是整個Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，它的主要功能包括三個：一是根據(jù)預(yù)先給定的參數(shù)，選擇合適的信道和網(wǎng)絡(luò)號，建立Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和控制終端節(jié)點的加入；二是接收監(jiān)控終端節(jié)點發(fā)送過來的環(huán)境信息并通過串口發(fā)送給WiFi網(wǎng)關(guān)；三是接收網(wǎng)關(guān)通過串口發(fā)送的控制命令并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)下傳給監(jiān)控節(jié)點。其流程圖如圖1所示。

3.2 監(jiān)控節(jié)點軟件設(shè)計

監(jiān)控節(jié)點上電后自動加入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并上傳自己的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息給協(xié)調(diào)器節(jié)點。監(jiān)控節(jié)點的主要任務(wù)是周期性的采集溫濕度、光照度、土壤溫濕度等環(huán)境信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時需根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)閥值自動控制相應(yīng)機(jī)電設(shè)備的運行。由于監(jiān)控節(jié)點是部署在溫室內(nèi)，采用電池供電，所以需充分考慮能量消耗問題，除了在硬件設(shè)計方面采用低功耗的元器件外，在軟件設(shè)計時也要盡量使節(jié)點在不需要工作的時候進(jìn)入低功耗模式。因而本文使用Zigbee協(xié)議棧里的一個定時函數(shù)osal_starttimerEx（）來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的周期性發(fā)送，當(dāng)采集終端節(jié)點不工作的時候就進(jìn)入睡眠模式，定時時間到就被喚醒，發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，然后再進(jìn)入睡眠模式，從而節(jié)約能耗。

3.3 移動客戶端應(yīng)用軟件設(shè)計

移動客戶的軟件設(shè)計機(jī)主要包括監(jiān)控界面的設(shè)計和與下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信。監(jiān)控界面主要實現(xiàn)溫濕度、光照度、土壤濕度等環(huán)境參數(shù)的實時顯示、超限報警并能對各個環(huán)境參數(shù)的閥值進(jìn)行設(shè)置，同時能手動控制機(jī)電設(shè)備的運行。Android移動客戶端與WiFi網(wǎng)關(guān)之間采用Socket通信，移動客戶端與WiFi網(wǎng)關(guān)建立連接后，WiFi網(wǎng)關(guān)將接收到的環(huán)境信息發(fā)送給移動客戶端，同時移動客戶端可以發(fā)送控制命令給WiFi網(wǎng)關(guān)并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各監(jiān)控節(jié)點，從而實現(xiàn)機(jī)電設(shè)備的手動控制。

4 結(jié)論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，Zigbee技術(shù)以及Andriod移動開發(fā)技術(shù)有了很大的用武之地。本文利用以上技術(shù)設(shè)計了迷你溫室環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動化、精準(zhǔn)化的調(diào)控，有效地改善了作物的生長環(huán)境，節(jié)約了人力成本，為人們在陽臺或者院子里智能化種植各種蔬菜、花卉提供了新的思路。

參考文獻(xiàn)

[1]青島東合信息技術(shù)有限公司.Zigbee開發(fā)技術(shù)及實踐[M].西安：先電子科技大學(xué)出版社，2014：54.

[2]倪天龍，單總線傳感器DHT11在溫濕度測控中的應(yīng)用 [J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（6）：60-62.