智能電箱物聯控制的花園智慧系統設計與應用

蔡紹碩,夏 晉,蔡紹博

(1.武漢市金葉云景觀科技有限公司,湖北 武漢 430074;2.青島海紋智慧農業科技有限公司,山東 青島 266001;3.上海法青景觀科技有限公司,上海 201699;4.中南民族大學 美術學院,湖北 武漢 430074;5.武漢建春科技有限公司,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著人們對居住環境舒適化、安全化的要求進一步提高,建筑室內外空間里的設備控制逐漸被要求趨向智能化、人性化。 當物聯網技術應用到花園生活的管理中,通過自動化系統實現智能控制取代原有手動開關的操控管理方式已經成為智能家居市場的主流需求。

1 智能電箱實現花園智慧控制的功能分析

在智慧花園中,通過應用傳感器、單片機以及無線傳感網絡等物聯網技術,用戶通過電腦、手機和小程序配套使用智能電箱實現遠程控制,可以實現的功能主要有:路燈照明、灌溉霧化、門禁、火警、魚池凈化、驅蚊滅蚊、情景模式、語音控制等。 而這種智能化的現實路徑主要有3 種類型:(1)通過傳感器來實現自動控制;(2)通過觸摸屏和手機App 來手動控制;(3)設置智慧情景自動觸發控制。

通過傳感器來實現自動控制的一般有路燈照明、門禁、火警和灌溉。 使用傳感器來檢測環境參數進行感知控制,如激光傳感器來檢測花園的光照度。 當夜幕降臨,檢測到環境的光照度參數過低時,系統自動開啟路燈實現花園照明。 人體傳感器來檢測環境是否有人體進入。 當檢測到人體需要進入時,單片機通過IO口連接的繼電器來實現花園門的自動開啟。 煙霧傳感器來檢測花園的煙霧濃度。 當煙霧濃度達到一定數值之后,會觸發煙霧報警器和消防系統。 濕度傳感器來檢測花園的干濕程度。 當濕度值低于一定閾值之后,系統自動開啟花園的霧灌系統[1]。

通過觸摸屏和手機App 來手動控制的有魚池凈化和驅蚊滅蚊。 如終端節點通過IO 口連接繼電器,對魚池凈化系統和智能花園滅蚊系統的開關進行控制。 智能花園設置智慧情景自動觸發是通過Samsung Cortex-A9 處理器進行嵌入式編程,實現智能情景模式的預先設定,如離家模式開啟則關閉路燈和門禁等系統,保留花園灌溉和報警等系統,居家模式則花園的全部功能正常開啟。

2 智能電箱來實現花園智能控制系統的技術設計

通過智能電箱來實現花園智能控制,首先需要實現環境參數的數據采集,因此終端必須使用單片機作為采集節點的核心,通過傳感器來檢測環境的參數[2]。那么本系統的傳感器則可以搭載在采用業界標準的增強型8051 CPU 的CC2530 單片機上,因為該單片機適應2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發器,可以實現更遠距離的ZigBee 無線數據傳輸,并且單片機對采集到的數據進行分析,可判斷是否需要進行環境調節,若需要,則本系統可以利用繼電器來控制電機的開關實現目的。 繼電器通過GPIO 口與CC2530 單片機進行連接,用來實現智能控制。 在這種控制中,本系統可選擇Samsung Cortex-A9 處理器,因為其作為一個智能網關,通過搭載ZigBee 通信模塊,形成了ZigBee 無線傳感網絡通信中的協調器,在使用Z-stack 協議棧進行通信過程中,可滿足上千個設備的多節點采集數據的要求。另外,本系統還可以通過搭載觸摸控制屏來實現數據的可視化,通過Android 開發上位機串口助手來進行操作,實現指令的下發。

3 智能電箱來實現花園智能控制系統的總體設計

3.1 電箱智能控制系統的基本架構

整個系統的構成包括3 層:智能終端、智能電箱以及用戶界面,如圖1 所示。 具備以下功能:(1)數據采集。 終端節點利用傳感器來進行數據采集,包括濕度傳感器監測花園的濕度參數,光照度傳感器來檢測花園的光照參數,煙霧傳感器來檢測花園是否起火,以及人體傳感器來檢測花園是否有人進入等。 (2)自動控制。 利用傳感器采集到數據之后,通過對CC2530 單片機進行代碼的燒錄,當檢測到環境參數超過閾值或與設定的閾值不符合時會進行自動控制;如當檢測到的空氣濕度低于40%設定值的時候,系統會自動打開花園的霧化系統開關,用來調節空氣濕度。 (3)數據傳輸。 采集節點與智能網關節之間通過ZigBee 無線網絡來進行無線傳輸,使用Z-Stack 協議棧,實現多個終端節點向網關節點的數據傳輸。 (4)云平臺數據處理。智能電箱在采集到花園環境的相關參數之后,通過網絡通信模塊,將數據實時發送到云平臺,云平臺對數據進行處理,并設置觸發指令。 (5)遠程控制。 用戶通過電腦、手機App、小程序以及公眾號來訪問云平臺,實時獲取花園環境參數,并通過云平臺下發指令,實現遠程控制。

圖1 花園智能電箱控制系統

3.2 電箱智能控制系統的功能實現

終端節點的硬件設計上使用CC2530 單片機作為采集節點的核心。 CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4,ZigBee 和RF4CE 應用的一個片上系統(SoC)解決方案。 一般而言,CC2530 單片機的工作電壓在2 ~3.6 V,可以通過干電池或紐扣電池實現電源供給,摒棄傳統的電源布線,讓整個系統更加簡潔。節點通過傳感器來監測環境參數,傳感器和電磁閥通過IO 口與單片機相連,設置觸發控制指令。 當符合自動控制條件的時候,利用電磁閥來控制開關,實現自動控制,如監測到土壤墑情顯示嚴重缺水時,單片機通過IO 口給電磁閥一個電壓指令,實現自動打開水管閥門。

智能電箱硬件設計采用Samsung Cortex-A9 處理器作為終端的核心。 微處理Hi3798CV100 芯片作為智能電箱控制系統的控制核心,CPU 具有四核ARM Cortex A9 和硬件JAVA 加速,具有八核高性能。 通過電源模塊對整個電箱進行設備供電;通過空開進行電路控制,防止電壓過載出現危險或損壞整個電路,如圖2 所示。智能電箱通過ZigBee 通信模塊獲取花園的環境參數,ZigBee 通信模塊通過串口與Cortex-A9 處理器連接,通過串口通信實現數據傳輸與指令的接收。 同時,Cortex-A9 處理器搭載一個觸摸控制屏,實現數據的可視化操作,通過Android 開發上位機串口通信軟件,使用串口通信軟件來接收數據,并且通過串口向終端節點發送AT 指令,實現智能電箱對花園的遠程控制。 智能電箱實現花園的數據監測和遠程控制之后,利用搭載的網絡通信模塊,將環境參數實時發送到云端平臺,云平臺實時接收數據,對數據進行處理,并設置控制觸發指令。 用戶通過電腦、手機App、小程序以及公眾號來訪問云平臺,實時獲取花園環境參數,并通過云平臺下發指令,實現遠程控制。 智能電箱通過Samsung Cortex-A9 處理器進行嵌入式軟件開發,對終端控制模塊的分類控制,實現在家模式和離家模式兩種不同情景的終端控制系統,處理器再通過AI 系統實現語音智能喚醒等系列控制。

圖2 智能電箱硬件設計

用戶界面包括電腦、手機App、小程序及公眾號等載體上的控制屏端口,使用戶能夠通過網絡訪問云平臺看到花園環境信息。 當系統監測到花園環境參數中的空氣濕度過低或花園光照度過低時,用戶可用通過控制云平臺下發指令控制繼電器的開關,進行灌溉系統的控制以及照明燈光的開啟,遠程實現區別于傳統手動模式下的智能系統控制[3]。

4 花園智能控制系統的實驗分析

在完成該系統的設計于開發后,課題組對該系統進行了模擬環境的測試。 (1)測試濕度傳感器。 將其放到空氣濕度低于40%的實驗室環境中,繼電器可以進行供電,實現自動灌溉。 (2)測試光照度傳感器。 將其放到黑暗環境中,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟路燈。 (3)測試煙霧傳感器。 將其放到人工制造的煙霧環境中,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟消防設備,并且蜂鳴器能夠進行報警。 (4)測試人體傳感器。 當有人靠近時,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟模擬大門,并且蜂鳴器能夠進行一次鳴響,提示有人進入。 經過5 次反復測試,系統在終端節點測試完成,顯示效果良好,未出現故障。

在用戶界面控制智能電箱時,測試員通過公眾號、小程序對云平臺進行網絡訪問,能夠穩定實時監測環境參數,對云平臺發送指令,完成遠程控制,進行智能電箱各模塊功能測試。 結果顯示:智能電箱的ZigBee模塊為協調器節點,終端檢測節點的ZigBee 模塊為終端節點。 在完成ZigBee 網絡的構建之后,協調器節點能夠接收到終端節點檢測到的環境參數,終端節點與協調器節點之間的ZigBee 網絡能夠進行通信。 對ZigBee 通信模塊與上位機串口軟件之間進行測試,上位機串口軟件能夠接收到ZigBee 協調器節點的數據。在使用上位機串口軟件對終端節點發送AT 控制指令時,終端節點的繼電器也能夠開啟,因此可判斷上位機串口通信測試成功完成。 測試員對智能電箱與云端之間進行測試時,云平臺始終能夠接收到終端的環境參數。 因此綜合判定智能電箱的實驗室測試非常成功,可進行下一步的市場運用。

在測試中,測試員發現電箱的流量存在續費問題。當電箱中的預存流量使用完畢后,系統會停止數據傳輸。 課題組提出使用電箱自帶的二維標簽碼解決流量充值問題。 當用戶賬戶余額為0 時,智能電箱自動對花園的遠程控制功能進行斷電,而保留花園的手動控制功能,防止因為余額不足而不能切斷控制造成危險及損失,用戶可通過手機端來掃描二維標簽碼來進行流量充值。

5 結語

課題組通過ZigBee 無線傳感網絡及物聯網嵌入式技術,實現智能化電箱的系統設計和實驗室應用,成功實現了智能電箱對花園的智慧控制。 在實驗中,課題組還發現,除了常規的濕度調節、燈具開關、煙霧報警和自動開門等智能操作外,還能通過改變終端節點的檢測傳感器,對獲取的空間參數分級分層管理,實現更多的智能控制功能。 可見,課題組開發的該系統應用范圍涵蓋性高,采用的新方法、新思路不僅可以實現花園的智能調節和遠程操作,還可以廣泛運用于其他業態環境,如農業大棚、建筑公共空間的場景監測和遠程控制。