基于傳感網絡的家居植物智能澆灌系統

王光耀 袁凌云

摘要：隨著生活品質的提升，家居盆栽越來越多，但繁忙的工作使得人們不能適時澆灌家中的盆栽，造成植物死亡率增高的現象。因此本系統基于傳感網絡、WiFi及云平臺等技術，構建家居植物智能澆灌系統。傳感器節點搭載溫度、濕度、光照及土壤濕度傳感器，傳感網絡通過WiFi技術上傳實時數據到中央控制器，通過中央控制器對其環境進行判斷，從而實現對植物適時的澆灌，同時，中央控制器可將實時數據上傳至OneNET云平臺，用戶可通過云平臺遠程查看植物生長情況。該系統有效降低了家居植物缺水死亡概率，使種植家居植物變得更容易，也為智能家居的精細化發展提供參考。

關鍵詞：傳感網絡;WiFi;智能澆灌;OneNET

中圖分類號：G434? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）26-0075-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1引言

為適應用戶即節約時間又能享受綠植帶來的優質空氣的需求，智能澆灌逐步進入人們的視野，目前市場上絕大多數智能灌溉產品本質上是定時器或流量控制計。較為常見的有時控型和濕控型兩種，時控型通過設置澆灌間隔時間，對植物進行定時定量的澆灌，濕控型是通過監測土壤濕度，當濕度低于設定的閾值時對植物進行澆灌。但這兩種澆灌類型參考的環境參數較為單一，未綜合考慮環境因素對植物進行適時的澆灌。近年來，我國眾多學者對基于傳感網絡的智能澆灌系統進行了研究，主要用于蔬菜大棚的整體控制和智能澆灌，針對家居植物智能澆灌系統的研究較少且考慮較為片面[1-3]。

本系統綜合考慮影響植物澆灌的實時環境因素，對家居植物智能澆灌系統進行設計，通過無線數據傳輸技術實現傳感節點與中央控制器的數據傳輸，借助遠程訪問傳感網絡數據的相關技術，將數據上傳OneNET云平臺，以供用戶遠程實時查看。

2系統設計

2.1系統總體設計

本家居植物智能澆灌系統的系統架構如圖1所示，由中央控制器、傳感節點、WiFi通信模塊及云平臺組成，其中，傳感節點包括一個以ESP8266為主控芯片的NodeMCU模塊、一個DHT11溫濕度傳感器、一個GY30光照傳感器、一個土壤濕度傳感器和一個水泵五部分，中央控制器采用樹莓派3 Model B，云平臺采用OneNET開放云平臺。本系統考慮到家庭面積以及綠植面積，暫采用三個傳感節點，在實際運用中可根據實際情況增加傳感節點。傳感節點通過WiFi與中央控制器相連，并通過TCP/IP協議將實時數據上傳中央控制器。中央控制器對各個傳感節點的數據進行處理，返回處理結果，并將實時環境數據上傳OneNET云平臺，用戶可遠程登錄云平臺查看數據。

2.2硬件模塊設計

2.2.1中央控制器

在本系統中傳感節點的實時數據需通過中央控制器接入互聯網，上傳OneNET云平臺，因此中央控制器需具有良好的可擴展性與高效率的運行性。基于此，本文選擇樹莓派3 Model B作為中央控制器，其采用ARM1176JZ微處理器，具有Wireless LAN功能并帶有一個以太網口，可滿足設計需求。

2.2.2傳感節點設計

本設計選用NodeMCU作為傳感節點的核心，其基于WiFi芯片ESP8266，帶有WiFi通信模塊，NodeMCU具有足夠的電源、公共端及數據引腳可供接收各個傳感器數據使用，并且具有低功耗的優點。

通過將GY30光照傳感器的SDA、SCL接口分別接到NodeMCU的D1、D2引腳，獲取光照強度數據。將DHT11溫濕度傳感器的DATA接口接到NodeMCU的D5引腳，通過固件函數讀取傳感器的溫濕度數據。將土壤濕度傳感器的D0接口接到NodeMCU的D6引腳，通過讀取該數據引腳的電平值可知當前土壤濕度與閾值的關系。

由于水泵不含數據引腳，采用A1015三極管控制水泵開關，將三極管的基極接到NodeMCU的D3引腳。由于NodeMCU的引腳數量不足，所以將溫濕度傳感器及土壤濕度傳感器的電源均接到同一引腳上。傳感節點電路圖如圖2所示。

2.3程序設計

2.3.1程序總體設計

本系統以硬件為基礎，結合軟件編寫實現系統功能。中央控制器開啟WiFi，設置為AP模式，提供無線接入服務，同時開啟TCP Server服務，傳感節點通過WiFi連接到中央控制器并建立TCP連接。連接成功后，傳感節點向中央控制器上傳實時數據，中央控制器接收并處理后向傳感節點回復處理結果，并將收到的實時數據上傳OneNET云平臺。節點根據返回的信息判斷是否澆灌。

2.3.2傳感節點程序設計

NodeMCU為傳感節點核心，通過WiFi連接傳感節點與中央控制器，從中央控制器獲取IP地址。各傳感節點通過不同端口號與中央控制器創建TCP連接。連接成功后，傳感節點通過TCP/IP協議每隔十秒鐘向中央控制器發送數據。

溫濕度與光照數據通過函數轉換為十進制數值。由于NodeMCU和所選土壤濕度傳感器不能將數據轉換為十進制數據，因此通過傳感器上的電位器進行調節。當濕度低于閾值，傳感節點接收到高電平;當濕度高于閾值，傳感節點接收到低電平，其中閾值通過實際環境測試得出。

當中央控制器返回值為1時則對植物澆水。為兼容并適應各種情況，本系統設置每次澆水時間為兩秒。傳感節點程序流程圖如圖3所示。

2.3.3中央控制器程序設計

中央控制器通過綁定本機IP地址與不同端口，開啟TCP Server服務，接收各傳感節點數據。設置氣溫閾值為30℃，空氣濕度為80%，光照強度為25000lx。對比實時環境數據與閾值，若數據均滿足澆水條件，則中央控制器向傳感節點發送數據“1”;若數據不滿足澆水條件，發送數據“0”。

程序使用HTTP協議，通過綁定OneNET云平臺中用戶唯一的設備APIkey和設備API地址，實現數據上傳。中央控制器程序流程圖如圖4所示。

3系統測試

3.1適時環境測試

將一個節點置于無陽光直射、土壤較為干燥的環境，模擬傳感節點的澆灌情況。通過OneNET云平臺查看實時環境數據，當各項參數均滿足澆灌條件，澆灌系統澆灌植物，澆灌完成后土壤濕度數據由1變為0。適時環境條件下各參數曲線圖如圖5-圖8所示。

3.2.2非適時環境測試

太陽直射的正午澆水，植物會產生吐水現象。為進行非適時環境測試，將傳感節點放到正午太陽直射且土壤濕度較低的環境中，通過測試在此環境中澆灌系統不會澆灌植物。通過OneNET云平臺可發現此時光照強度大于25000lx，高于設定的閾值，其余環境數據均滿足澆灌條件，土壤濕度均為1，表示澆灌系統并未澆灌盆栽，說明該系統在太陽直射的情況下不會對植物進行澆灌。非適時條件下各參數曲線圖如圖9-圖12所示。

4 結束語

本文基于傳感網絡設計了家居植物智能澆灌系統，以樹莓派3 Model B為中央控制器，以NodeMCU模塊為傳感節點的核心，應用WiFi、TCP等技術，綜合考慮影響植物澆灌的環境參數，結合當下熱門的OneNET云平臺，實現了在智能澆灌的同時遠程查看環境數據及其變化情況，系統操作靈活、顯示直觀。但也依然存在一些問題，在傳感器精度和系統的穩定性等方面還有待加強，在以后的研究中將進一步完善。

參考文獻：

[1] 王志明.一種大棚蔬菜智能澆灌裝置[P].中國專利：CN206564963U，2017-10-20.

[2] 陳晨.一種智能澆灌花盆架[P].中國專利：CN206433511U，2017-08-25.

[3] 劉海龍.基于物聯網關聯的光照監控與節水灌溉系統設計[J].現代電子技術，2016，39（20）：149-153.

[4] Sandeep Pirbhulal， Heye Zhang. A Novel Secure IoT-Based Smart Home Automation System Using a Wireless Sensor Network[J]. Sensors， 2017， 17（1）：69.

【通聯編輯：王力】