一種基于物聯網的家庭園藝智能養護系統

曹麗平，楊 鵬，徐新宇，楊金鋒，賴齊賢*，陳麗妮

（1.浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江臨安 311300；2.湘潭大學，湖南湘潭 411105；3.杭州市農業教育培訓中心，浙江杭州 310017）

一種基于物聯網的家庭園藝智能養護系統

曹麗平1，楊 鵬2，徐新宇2，楊金鋒1，賴齊賢1*，陳麗妮3

（1.浙江農林大學農業與食品科學學院，浙江臨安 311300；2.湘潭大學，湖南湘潭 411105；3.杭州市農業教育培訓中心，浙江杭州 310017）

為了將物聯網技術應用到家庭園藝養護中，使其變得更為簡便和智能化，故對家庭園藝智能養護系統進行硬件設計和軟件設計，并制作出一套樣品。系統主要包括采集器、網關、上位機界面及控制器，采用nRF24L01無線網絡可實現對家庭綠化區域的遠程實時監控和智能養護管理。根據采集的溫度、土壤濕度、光照強度做出決算，無線控制澆水、補光、噴霧，調節植物生長的小環境。

家庭園藝；自動控制系統；物聯網；nRF24L01

家庭園藝是指在居室內、陽臺、屋頂、露臺或庭院等空間范圍內從事園藝植物栽培和裝飾的活動。家庭園藝植物能夠起到調節濕度、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度的轉變。時代在進步，植物的養護技術也在不斷更新［5-7］。在物聯網蓬勃發展時期［8-10］，將物聯網技術應用到植物養護上可解決很多植物愛好者的困擾。家庭園藝智能養護系統采用無線通訊技術，便于安裝和控制，適于家庭使用。

1 系統構架

家庭園藝智能養護系統主要功能包括自動采集環境信息，自動控制澆水、噴霧、補光等。自動養護系統主要分為采集器、控制器、網關、上位機和無線通訊網絡5個部分（圖1）。采集器采集的信息通過網關傳遞給上位機，上位機做出決定，再通過網關向控制器傳遞命令，控制器負責執行命令。在系統中，采集器相當于神經末梢，負責感受“刺激”，并向上位機傳遞感知信息；上位機是整個系統的大腦，負責接收信號、做出決算和發出命令；無線通訊網絡相當于神經，為信息的傳遞提供渠道，貫穿于整個系統中；網關是樞紐，能夠進行信息的接收和轉換，連接上位機和其他端口；而控制器相當于肌肉組織，用于實現系統的命令，做出實際操作。

圖1 養護系統的結構

2 采集器

2.1 采集器硬件設計

采集器采集的信息主要包括光強、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現信息的采集。采集端傳感器的選擇，決定著采集模塊的實現方式，影響著電路和程序的復雜程度，也會在運行中影響到系統的整體性能。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，為數字溫度傳感器，帶有用戶可編程寄存器，TNC75測量范圍為-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。采集端電路設計主要包括供電模塊、無線通信模塊、濕度采集模塊、光強采集模塊、溫度采集模塊和數據處理模塊的設計。設計出的電路圖在工廠做出樣板，并焊接元器件，在STC-ISP平臺上對其進行nRF24L01信號收發測試，結果證實采集端電路設計的可行性。采集器樣板及采集器實物見圖2。

圖2 采集器（A）電路板圖（B）的實物

2.2 采集器軟件設計

采集器采用型號為IAP15F2K61S2的單片機芯片，采用keilC51和STC-ISP進行程序設計。采集器軟件設計主要包括無線通訊協議的設定以及信號的轉化。土壤濕度傳感器和光敏傳感器的輸出都為模擬信號，在進行數據處理之前必須將模擬信號轉化為數字信號才能進行發送。

系統采用nRF24L01無線網絡，在100 m內節點間能進行有效通信［11-13］，采集器是無線網絡中的一個節點。通過單片機的SPI接口可以選擇功率頻道以及對采集器進行通信協議的設定。通信協議主要包括識別溫度、光強、濕度采集命令的格式，以及在向上發送溫度、光照、濕度數據時的數據包格式。系統中設定了6個字節的命令格式和數據包格式，第1個字節標示數據長度，第2個字節用于識別命令類別，第3個字節用于識別地址，第4和第5個字節用于區別命令的內容和信息，第6個字節是結束標志（表1）。

3 控制器

3.1 控制器硬件設計

考慮到家居環境中水電通道分布的不確定性，系統中采用了4個獨立的控制器，兼可通過無線網絡統一控制，包括澆水、噴霧、補光、景觀燈控制器。4個控制器具有相同的電路和硬件，通過不同的程序設計就能輕松地識別控制器的功能達到準確控制的目的。控制器的電路設計主要包括nRF24L01無線收發模塊、供電模塊、繼電器模塊等幾個方面。在設計好電路圖的基礎上送入工廠做出樣板，焊接電子元器件，并進行了測試（圖3）。3.2 控制器軟件設計

表1 采集器的通信協議

圖3 控制器（A）電路板圖（B）的實物

4個控制器硬件是相同的，軟件設計能夠劃分控制器的種類和區域。控制器有4種，分別是澆水控制器、噴霧控制器、補光控制器和景觀燈控制器，在本系統的無線通信協議中，每個控制器帶有1個唯一的地址，即可實現1個主機控制多個綠化場所。例如，1個家庭在陽臺、屋頂都有綠化面積，就可用2個具有不同地址的控制器來控制澆水，上位機可區分控制器所在區域。控制器的通信協議，接受命令有開、關、讀狀態、取反4種，分別用4種不同的6字節長度數據包格式，控制器向上位機主要是發送狀態（表2）。

表2 控制器的通信協議

4 網關及上位機界面

4.1 網關

本系統中網關的主要作用是接收無線信號并對其進行轉化，通過USB接口將信號傳入上位機，同樣也能將上位機需要發出的命令轉化為無線信號發出，是系統的樞紐。

4.2 上位機界面

系統中的控制面板選用LabVIEW進行開發，采用LabVIEW做出來的家庭園藝智能養護系統界面猶如一個儀器，使得整個系統功能均可通過界面來完成。LabVIEW是1種圖形編輯語言［14］，每個程序都有2個基本窗口:前面板（front Panel）窗口和流程圖（block diagram）窗口。同樣本系統的上位機界面也有2個窗口，用戶操作可以通過前面板進行（圖4），前面板操作起來非常簡單，用戶無須懂得通信技術和通信協議就能完成系統所有操作，用戶可通過電腦上界面查看采集器和控制器的狀態，了解綠化區域的實時環境參數，對燈關、灌溉、噴霧等開關進行手動控制。而流程圖窗口實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 上位機的前界面

圖5 上位機的程序框架

5 系統特性

物聯網家庭園藝養護控制系統是家庭園藝養護技術和通信技術、傳感技術的集成，一個便捷的控制系統既能實現家庭綠化的智能管理，優化室內環境，又方便融入智能家居管理系統的整體，使家庭生活更便捷舒適。

5.1 自動化程度高

本系統具有較高的自動化程度，能夠實現全自動化管理。用戶只需通過上位機界面設定環境參數，采樣周期、設備地址等參數就能自動管理。系統自動采集參數，自動將參數向網關和上位機傳送，上位機自行判斷后自動發送控制命令，將環境參數控制在適合家庭園藝植物生長的范圍內。

5.2 集成度高

系統集成度高體現在采集參數的多樣和控制端多樣方面。采集端集成3個傳感器，即土壤濕度傳感器、溫度傳感器和光敏傳感器，且能進行數據處理和發送。采集端的采集參數很全面，從而能為養護管理提供更好更全面的依據。控制端集成了澆水控制、噴霧控制、補光控制和景觀燈控制4個方面，突破了單一的澆水控制，為養護家庭園藝植物提供更好的生長環境。

5.3 布局靈活

養護系統采用無線通訊方式，網關、采集端、控制端是分離的，從合理利用資源角度出發，適合采取不同的供電方法。網關與PC機相接，可直接采用USB接口供電，采集端采用調制器將220 V交流電調制成12 V直流電供電；控制器利用220 V交流電，在外圍電路的調制下轉化為5 V直流電為各控制模塊供電。系統采用無線通訊，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，可刪去補光控制和放寬澆水控制。

5.4 可擴展性強

通過對端口進行地址設置，理論上系統最多可獨立養護256處綠化場所，對其進行統一自動管理。例如，一棟公寓里有6層，每層10戶人家，整棟公寓可用1個養護系統進行統一自動管理，給60戶人家各分配1個地址，在管理中心可獨立自動控制每戶人家的園藝養護，通過地址可查詢每戶人家的養護狀態。

總的來說，應用最新的無線傳感網絡技術，系統能實現預期設計的功能，達到預期設計的自動化程度。但系統只是初步實現，有更多細節和功能有待進一步完善和開發。

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（責任編輯：張瑞麟）

F 062.9

A

0528-9017（2015）03-0433-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20150346

2014-12-04

浙江省自然科學基金（LY13C150005）；浙江省新苗人才計劃（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。

文獻著錄格式:曹麗平，楊鵬，徐新宇，等.一種基于物聯網的家庭園藝智能養護系統［J］.浙江農業科學，2015，56（3）:433-436.