基于ZigBee的智能室內植物監(jiān)護系統(tǒng)

摘 要：針對室內植物多日無人看護的難題，研究并設計了一套基于ZigBee技術的室內植物監(jiān)護系統(tǒng)。將CC2530作為系統(tǒng)主控芯片，與各類傳感器采集模塊及繼電器模塊共同組成ZigBee終端模塊。系統(tǒng)的終端節(jié)點將采集的植物生長環(huán)境參數(shù)傳送至協(xié)調器，協(xié)調器處理后轉發(fā)到WiFi模塊，WiFi模塊再通過路由器接入云平臺，用戶可在云平臺生成的手機APP或對應網(wǎng)頁上查看室內植物的實時信息，也能根據(jù)需要下發(fā)指令，實現(xiàn)遠程智能監(jiān)護。

關鍵詞：ZigBee;CC2530芯片;WiFi;室內植物監(jiān)護;傳感器;物聯(lián)網(wǎng);云平臺

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）04-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，它逐漸被應用于各個領域。物聯(lián)網(wǎng)技術被應用于智能家居和智慧農(nóng)業(yè)領域后取得了卓越的成就，但眼下卻還沒有一款具體的實施方案與室內植物的監(jiān)護相關[1]。植物監(jiān)護系統(tǒng)雖屬于智慧農(nóng)業(yè)中花卉、綠植養(yǎng)殖的范疇，但物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)領域的研究因環(huán)境、規(guī)模不同無法直接套用在室內的植物監(jiān)護上[2]。為解決該問題，本文設計了一套基于ZigBee的室內植物監(jiān)護系統(tǒng)。ZigBee技術與WiFi技術相結合的無線通信方式可以替代布線等繁瑣的有線傳輸方式，另外，機智云平臺的運用不僅降低了系統(tǒng)的研發(fā)成本，還將硬件進行了智能化升級，只需要一部智能手機就能快速訪問植物在家中的生長環(huán)境或進行遠程監(jiān)護，極大地方便了用戶使用，解決了家庭及類似環(huán)境中多日無人看護綠植的難題。

1 系統(tǒng)總體設計

基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構和本設計的特點，將系統(tǒng)分為感知部分、傳輸部分和應用部分，功能如下：

（1）感知部分使用傳感器實現(xiàn)植物生長環(huán)境參數(shù)的實時采集;

（2）傳輸部分以ZigBee網(wǎng)絡和WiFi網(wǎng)絡相結合的方式將感知部分采集的數(shù)據(jù)進行無線傳輸，最終通過路由器和云平臺將采集的數(shù)據(jù)傳送給用戶手機;

（3）應用部分利用機智云平臺將設備接入互聯(lián)網(wǎng)，并生成手機APP UI界面，實現(xiàn)實時顯示和遠程操作。

系統(tǒng)結構如圖1所示。

感知部分用于植物生長環(huán)境參數(shù)的實時采集，由光照強度傳感器、環(huán)境溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器的各終端節(jié)點構成，與協(xié)調器節(jié)點組成星型網(wǎng)絡。

傳輸部分包括ZigBee協(xié)調器節(jié)點、WiFi網(wǎng)關和路由器。ZigBee協(xié)調器節(jié)點處理終端節(jié)點傳輸?shù)男畔ⅲ瑥闹刑崛〕鰧⒈伙@示給用戶的溫濕度、光照強度和土壤濕度數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)以AT指令的形式發(fā)送給WiFi模塊，WiFi模塊通過路由器接入云服務器，將收到的數(shù)據(jù)傳輸至手機客戶端。

應用部分利用機智云平臺將設備接入互聯(lián)網(wǎng)。

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件框架包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調節(jié)點、WiFi網(wǎng)關和路由器等。系統(tǒng)硬件設計圍繞終端節(jié)點及協(xié)調器節(jié)點展開。終端節(jié)點設計時需要考慮傳感器對數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送;協(xié)調器節(jié)點設計時需要考慮終端節(jié)點的通信技術以及如何將數(shù)據(jù)轉發(fā)給管理平臺等問題[3]。

2.1 終端節(jié)點設計

ZigBee終端模塊由ZigBee開發(fā)板和與之相連的DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度采集模塊、光照強度采集模塊、繼電器控制模塊組成。各數(shù)據(jù)采集傳感器負責實時收集植物的3個主要生長環(huán)境參數(shù)。

該模塊放置在室內植物旁邊，其主要功能如下：

（1）將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行整合后無線傳輸給協(xié)調器;

（2）執(zhí)行來自協(xié)調器的指令，通過控制電磁閥打開或關閉水閥、窗簾、空調、加濕器、電燈等家用電器，以實現(xiàn)植物生長環(huán)境的調控。

2.2 協(xié)調器節(jié)點設計

系統(tǒng)使用CC2530芯片作為ZigBee模塊的主控芯片。CC2530內部的低功耗8051微控制器內核具有代碼預取功能，性能優(yōu)異且易于學習，同時還擁有強大的外設、支持4種供電模式[4]，是真正的單芯片解決方案。且其協(xié)議棧對外開放，可免費下載，在無形中降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。WiFi模塊的主控芯片選用ESP8266芯片，它具有功耗低、價格低、高度集成、工作溫度范圍超寬等優(yōu)點[5]，可適用于各種場合。

2.3 控制模塊設計

本系統(tǒng)中使用的負載主要包括空調、窗簾、加濕器和電磁閥等，這些負載的開閉都需要通過繼電器控制。單片機采用輪詢方式監(jiān)測各傳感器的數(shù)據(jù)采集，并與事先設定的閾值進行比較，輸出相應的開關信號“0”或“1”，控制固態(tài)繼電器開閉，從而控制負載工作。當監(jiān)測到的室內溫濕度值高于設定的閾值時，終端節(jié)點將控制空調、加濕器等設備的繼電器閉合來調節(jié)環(huán)境溫度和濕度;同理，當監(jiān)測的土壤濕度低于植物所需值時，終端節(jié)點通過控制繼電器使電磁閥開啟，實現(xiàn)自動灌溉;當監(jiān)測到環(huán)境的光照強度過強時，可以自動降低窗簾高度。

2.4 傳感器選型

溫度不僅影響植物的光合作用，還影響植物對水分的吸收，而濕度會影響植物的蒸騰作用，所以溫濕度對植物的生長至關重要。使用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器采集空氣中的溫度和濕度信息，它不僅響應速度快、價格低，同時抗干擾能力也十分突出，因此極其適合本系統(tǒng)使用。

土壤濕度過高容易滋生大量細菌，危害植物的生長;土壤濕度過低，植物無法充分吸收土壤中的養(yǎng)分。YL-69土壤濕度傳感器的感應表面經(jīng)過加寬與鍍鎳處理后，具有導電性好、防銹、壽命長等特點。另外，電位器可以調節(jié)和控制相應閾值，能在很寬的范圍內控制土壤的濕度。

室內光照強度會影響植物的光合作用和呼吸作用，采用GY-30光照傳感器來采集室內的光照強度。GY-30輸出數(shù)字信號，省略了復雜的計算;兩線式串行的總線接口方便讀取數(shù)據(jù);傳感器探測光照強度范圍大，分辨率高[6]。GY-30光照傳感器完全可滿足本系統(tǒng)的設計要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

整個系統(tǒng)主要有三個通信過程，即ZigBee組網(wǎng)、WiFi初始化后通過路由器接入云服務器、云端與手機APP通信。軟件設計主要包括ZigBee網(wǎng)絡中的終端節(jié)點程序設計、協(xié)調節(jié)點程序設計和WiFi模塊程序設計，以及云服務器的搭建與安卓APP的設計。

3.1 終端節(jié)點軟件設計

終端節(jié)點完成Z-Stack初始化后，只需加入?yún)f(xié)調節(jié)點組建網(wǎng)絡，就可以調用各傳感器來采集植物生長環(huán)境的參數(shù)，并定時發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，同時接收來自協(xié)調器節(jié)點下發(fā)的開關指令，調用繼電器模塊開關水閥等，完成環(huán)境參數(shù)采集和遠程調控任務。為了最大限度降低功耗，增加終端節(jié)點的工作時間，設計中增加了終端節(jié)點定時睡眠和定時喚醒功能[7]。

終端節(jié)點的簡化工作流程如圖2所示。

3.2 云平臺的接入及手機APP的生成

利用機智云平臺將設備接入互聯(lián)網(wǎng)以實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和遠程控制。該云平臺提供了從產(chǎn)品項目創(chuàng)建、設備快速接入、應用端開發(fā)、產(chǎn)品考量、云端搭建等覆蓋從設備接入到運營數(shù)據(jù)管理的全生命周期服務。當我們在機智云平臺上新建項目，并為項目添加數(shù)據(jù)點后，平臺會自動生成對應的手機APP UI界面，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)點的顯示并下發(fā)控制命令。

3.3 系統(tǒng)運行及實測

將WiFi模塊連接到ZigBee的協(xié)調節(jié)點，然后為各模塊上電重啟，待各模塊正常工作后，即可看到協(xié)調節(jié)點的顯示屏上顯示終端節(jié)點發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，表示ZigBee組網(wǎng)成功。在手機APP上，設備列表中的項目被點亮激活，表示W(wǎng)iFi模塊已接入云端，并能從服務器上正常發(fā)送數(shù)據(jù)。圖3所示為手機客戶端UI界面，可以看到，數(shù)據(jù)均能正常顯示，表示系統(tǒng)正常運行，測試完成。

4 結 語

本次設計的室內植物監(jiān)護系統(tǒng)作為智能家居的補充，實現(xiàn)了對室內綠植的遠程監(jiān)控和自動灌溉，方便人們實時了解綠植的生長環(huán)境，不僅節(jié)約了使用者的時間，更實現(xiàn)了他們家中無人綠植也可以正常生長的愿望。該系統(tǒng)方便人們養(yǎng)護綠植，提高了室內綠植的存活率，同時拓展了智能家居的范疇，為家居植物的種植智能化發(fā)展提供了可能。

參考文獻

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作者簡介：霍道偉（1995—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術。