基于ZigBee的智能室内植物监护系统

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　　摘 要：针对室内植物多日无人看护的难题，研究并设计了一套基于ZigBee技术的室内植物监护系统。将CC2530作为系统主控芯片，与各类传感器采集模块及继电器模块共同组成ZigBee终端模块。系统的终端节点将采集的植物生长环境参数传送至协调器，协调器处理后转发到WiFi模块，WiFi模块再通过路由器接入云平台，用户可在云平台生成的手机APP或对应网页上查看室内植物的实时信息，也能根据需要下发指令，实现远程智能监护。
　　关键词：ZigBee;CC2530芯片;WiFi;室内植物监护;传感器;物联网;云平台
　　中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）04-00-03
　　0 引 言
　　随着物联网技术的发展，它逐渐被应用于各个领域。物联网技术被应用于智能家居和智慧农业领域后取得了卓越的成就，但眼下却还没有一款具体的实施方案与室内植物的监护相关[1]。植物监护系统虽属于智慧农业中花卉、绿植养殖的范畴，但物联网在智慧农业领域的研究因环境、规模不同无法直接套用在室内的植物监护上[2]。为解决该问题，本文设计了一套基于ZigBee的室内植物监护系统。ZigBee技术与WiFi技术相结合的无线通信方式可以替代布线等繁琐的有线传输方式，另外，机智云平台的运用不仅降低了系统的研发成本，还将硬件进行了智能化升级，只需要一部智能手机就能快速访问植物在家中的生长环境或进行远程监护，极大地方便了用户使用，解决了家庭及类似环境中多日无人看护绿植的难题。
　　1 系统总体设计
　　基于物联网基本架构和本设计的特点，将系统分为感知部分、传输部分和应用部分，功能如下：
　　（1）感知部分使用传感器实现植物生长环境参数的实时采集;
　　（2）传输部分以ZigBee网络和WiFi网络相结合的方式将感知部分采集的数据进行无线传输，最终通过路由器和云平台将采集的数据传送给用户手机;
　　（3）应用部分利用机智云平台将设备接入互联网，并生成手机APP UI界面，实现实时显示和远程操作。
　　系统结构如图1所示。
　　感知部分用于植物生长环境参数的实时采集，由光照强度传感器、环境温湿度传感器、土壤湿度传感器的各终端节点构成，与协调器节点组成星型网络。
　　传输部分包括ZigBee协调器节点、WiFi网关和路由器。ZigBee协调器节点处理终端节点传输的信息，从中提取出将被显示给用户的温湿度、光照强度和土壤湿度数据，然后将这些数据以AT指令的形式发送给WiFi模块，WiFi模块通过路由器接入云服务器，将收到的数据传输至手机客户端。
　　应用部分利用机智云平台将设备接入互联网。
　　2 系统硬件设计
　　系统硬件框架包括ZigBee终端节点、ZigBee协调节点、WiFi网关和路由器等。系统硬件设计围绕终端节点及协调器节点展开。终端节点设计时需要考虑传感器对数据的采集和发送;协调器节点设计时需要考虑终端节点的通信技术以及如何将数据转发给管理平台等问题[3]。
　　2.1 终端节点设计
　　ZigBee終端模块由ZigBee开发板和与之相连的DHT11温湿度传感器、土壤湿度采集模块、光照强度采集模块、继电器控制模块组成。各数据采集传感器负责实时收集植物的3个主要生长环境参数。
　　该模块放置在室内植物旁边，其主要功能如下：
　　（1）将各传感器采集的数据进行整合后无线传输给协调器;
　　（2）执行来自协调器的指令，通过控制电磁阀打开或关闭水阀、窗帘、空调、加湿器、电灯等家用电器，以实现植物生长环境的调控。
　　2.2 协调器节点设计
　　系统使用CC2530芯片作为ZigBee模块的主控芯片。CC2530内部的低功耗8051微控制器内核具有代码预取功能，性能优异且易于学习，同时还拥有强大的外设、支持4种供电模式[4]，是真正的单芯片解决方案。且其协议栈对外开放，可免费下载，在无形中降低了产品研发成本。WiFi模块的主控芯片选用ESP8266芯片，它具有功耗低、价格低、高度集成、工作温度范围超宽等优点[5]，可适用于各种场合。
　　2.3 控制模块设计
　　本系统中使用的负载主要包括空调、窗帘、加湿器和电磁阀等，这些负载的开闭都需要通过继电器控制。单片机采用轮询方式监测各传感器的数据采集，并与事先设定的阈值进行比较，输出相应的开关信号“0”或“1”，控制固态继电器开闭，从而控制负载工作。当监测到的室内温湿度值高于设定的阈值时，终端节点将控制空调、加湿器等设备的继电器闭合来调节环境温度和湿度;同理，当监测的土壤湿度低于植物所需值时，终端节点通过控制继电器使电磁阀开启，实现自动灌溉;当监测到环境的光照强度过强时，可以自动降低窗帘高度。
　　2.4 传感器选型
　　温度不仅影响植物的光合作用，还影响植物对水分的吸收，而湿度会影响植物的蒸腾作用，所以温湿度对植物的生长至关重要。使用DHT11数字温湿度传感器采集空气中的温度和湿度信息，它不仅响应速度快、价格低，同时抗干扰能力也十分突出，因此极其适合本系统使用。
　　土壤湿度过高容易滋生大量细菌，危害植物的生长;土壤湿度过低，植物无法充分吸收土壤中的养分。YL-69土壤湿度传感器的感应表面经过加宽与镀镍处理后，具有导电性好、防锈、寿命长等特点。另外，电位器可以调节和控制相应阈值，能在很宽的范围内控制土壤的湿度。
　　室内光照强度会影响植物的光合作用和呼吸作用，采用GY-30光照传感器来采集室内的光照强度。GY-30输出数字信号，省略了复杂的计算;两线式串行的总线接口方便读取数据;传感器探测光照强度范围大，分辨率高[6]。GY-30光照传感器完全可满足本系统的设计要求。 　　3 系统软件设计
　　整个系统主要有三个通信过程，即ZigBee组网、WiFi初始化后通过路由器接入云服务器、云端与手机APP通信。软件设计主要包括ZigBee网络中的终端节点程序设计、协调节点程序设计和WiFi模块程序设计，以及云服务器的搭建与安卓APP的设计。
　　3.1 终端节点软件设计
　　终端节点完成Z-Stack初始化后，只需加入协调节点组建网络，就可以调用各传感器来采集植物生长环境的参数，并定时发送给协调器节点，同时接收来自协调器节点下发的开关指令，调用继电器模块开关水阀等，完成环境参数采集和远程调控任务。为了最大限度降低功耗，增加终端节点的工作时间，设计中增加了终端节点定时睡眠和定时唤醒功能[7]。
　　终端节点的简化工作流程如图2所示。
　　3.2 云平台的接入及手机APP的生成
　　利用机智云平台将设备接入互联网以实现数据管理和远程控制。该云平台提供了从产品项目创建、设备快速接入、应用端开发、产品考量、云端搭建等覆盖从设备接入到运营数据管理的全生命周期服务。当我们在机智云平台上新建项目，并为项目添加数据点后，平台会自动生成对应的手机APP UI界面，可以实现数据点的显示并下发控制命令。
　　3.3 系统运行及实测
　　将WiFi模块连接到ZigBee的协调节点，然后为各模块上电重启，待各模块正常工作后，即可看到协调节点的显示屏上显示终端节点发来的传感器数据，表示ZigBee组网成功。在手机APP上，设备列表中的项目被点亮激活，表示WiFi模块已接入云端，并能从服务器上正常发送数据。图3所示为手机客户端UI界面，可以看到，数据均能正常显示，表示系统正常运行，测试完成。
　　4 结 语
　　本次设计的室内植物监护系统作为智能家居的补充，实现了对室内绿植的远程监控和自动灌溉，方便人们实时了解绿植的生长环境，不仅节约了使用者的时间，更实现了他们家中无人綠植也可以正常生长的愿望。该系统方便人们养护绿植，提高了室内绿植的存活率，同时拓展了智能家居的范畴，为家居植物的种植智能化发展提供了可能。
　　参考文献
　　[1]王飞.智能家居应用现状及其发展分析[J].通信世界，2016（2）：267.
　　[2]侯永进.基于大数据的物联网技术应用：智能灌溉系统[J].中国管理信息化，2016（12）：174-175.
　　[3]李妤薇.基于ZigBee的无线传感器网络协议研究与设计实现[D].南京：南京邮电大学，2014.
　　[4]杜德飞.智能家居无线系统设计及实现[D].广州：华南理工大学，2012.
　　[5]李康.智能灌溉与植物养护系统的设计与实现[D].成都：西南石油大学，2016.
　　[6]李万林.基于ZigBee的无线温度传感器网络系统的研究[D].西安：长安大学，2013.
　　[7]张寅飞.基于CC2430的ZigBee无线组网技术[J].物联网技术，2011，1（6）：66-67.
　　[8]张亮.基于ZigBee的智能室内植物监护系统[D].武汉：武汉科技大学，2009.
　　[9]吴艺娟，秦彩云，万米洋.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统设计[J].北京石油化工学院学报，2013（1）：46-50.
　　[10]蔡晓宇.基于ZigBee和Android技术的家庭环境智能监测系统[D].南京：南京师范大学，2012.
　　作者简介：霍道伟（1995—），男，安徽阜阳人，硕士研究生，研究方向为物联网技术。
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