基于ZigBee的智能室內(nèi)植物監(jiān)護系統(tǒng).pdf

2020年 第 4期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 全面感知 Comprehensive Perception 13 0 引 言 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 它逐漸被應(yīng)用于各個領(lǐng)域 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于智能家居和智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)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(nèi)植物的監(jiān) 護相關(guān) 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(lǐng)域的研究因環(huán)境 規(guī)模不同 無法直接套用在室內(nèi)的植物監(jiān)護上 2 為解決該問題 本文 設(shè)計了一套基于 ZigBee 的室內(nèi)植物監(jiān)護系統(tǒng) ZigBee 技術(shù) 與 WiFi 技術(shù)相結(jié)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(shè)計 基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)和本設(shè)計的特點 將系統(tǒng)分為感知 部分 傳輸部分和應(yīng)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(luò)和 WiFi 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)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(yīng)用部分利用機智云平臺將設(shè)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(jié)構(gòu)如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(gòu)成 與協(xié)調(diào)器節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò) 傳輸部分包括 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點 WiFi 網(wǎng)關(guān)和路由器 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點處理終端節(jié)點傳輸?shù)男畔?從中提取出將 被顯示給用戶的溫濕度 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(wù)器 將收到的數(shù)據(jù)傳輸至手機客戶端 應(yīng)用部分利用機智云平臺將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng) 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件框架包括 ZigBee 終端節(jié)點 ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點 WiFi 網(wǎng)關(guān)和路由器等 系統(tǒng)硬件設(shè)計圍繞終端節(jié)點及協(xié)調(diào)器 節(jié)點展開 終端節(jié)點設(shè)計時需要考慮傳感器對數(shù)據(jù)的采集和 發(fā)送 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計時需要考慮終端節(jié)點的通信技術(shù)以及 如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給管理平臺等問題 3 2 1 終端節(jié)點設(shè)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(zé)實時收集植物的 3 個主要生長環(huán)境參數(shù) 基于 ZigBee 的智能室內(nèi)植物監(jiān)護系統(tǒng) 霍道偉 安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 安徽 淮南 232001 摘 要 針對室內(nèi)植物多日無人看護的難題 研究并設(shè)計了一套基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)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(diào)器 協(xié)調(diào)器處理后轉(zhuǎn)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?qū)?yīng)網(wǎng)頁上查看室內(nèi)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(guān)鍵詞 ZigBee CC2530 芯片 WiFi 室內(nèi)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(biāo)識碼 A 文章編號 2095 1302 2020 04 0013 03 收稿日期 2019 10 12 修回日期 2019 11 13 基金項目 光纖器件生產(chǎn)廠國家標(biāo)準(zhǔn)制造地方政府獎勵基金 1C067 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2020 04 003 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年 第 4期 全面感知 Comprehensive Perception 14 該模塊放置在室內(nèi)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(diào)器 2 執(zhí)行來自協(xié)調(diào)器的指令 通過控制電磁閥打開或關(guān) 閉水閥 窗簾 空調(diào) 加濕器 電燈等家用電器 以實現(xiàn)植 物生長環(huán)境的調(diào)控 2 2 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計 系統(tǒng)使用 CC2530 芯片作為 ZigBee 模塊的主控芯片 CC2530內(nèi)部的低功耗 8051微控制器內(nèi)核具有代碼預(yù)取功能 性能優(yōu)異且易于學(xué)習(xí) 同時還擁有強大的外設(shè) 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(shè)計 本系統(tǒng)中使用的負載主要包括空調(diào) 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(shè)定的閾值 進行比較 輸出相應(yīng)的開關(guān)信號 0 或 1 控制固態(tài)繼 電器開閉 從而控制負載工作 當(dāng)監(jiān)測到的室內(nèi)溫濕度值高 于設(shè)定的閾值時 終端節(jié)點將控制空調(diào) 加濕器等設(shè)備的繼 電器閉合來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和濕度 同理 當(dāng)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(dāng)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(guān)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(yīng)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(yīng)表面經(jīng)過加寬與鍍鎳處理后 具有導(dǎo)電性 好 防銹 壽命長等特點 另外 電位器可以調(diào)節(jié)和控制相 應(yīng)閾值 能在很寬的范圍內(nèi)控制土壤的濕度 室內(nèi)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(nèi)的光照強度 GY 30 輸出數(shù)字 信號 省略了復(fù)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(shè)計要求 3 系統(tǒng)軟件設(shè)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(wù)器 云端與手機 APP 通信 軟件設(shè)計主要包括 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點程序設(shè)計 協(xié) 調(diào)節(jié)點程序設(shè)計和 WiFi 模塊程序設(shè)計 以及云服務(wù)器的搭 建與安卓 APP 的設(shè)計 3 1 終端節(jié)點軟件設(shè)計 終端節(jié)點完成 Z Stack 初始化后 只需加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點組建 網(wǎng)絡(luò) 就可以調(diào)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(diào)器節(jié)點 同時接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點下發(fā)的開 關(guān)指令 調(diào)用繼電器模塊開關(guān)水閥等 完成環(huán)境參數(shù)采集和 遠程調(diào)控任務(wù) 為了最大限度降低功耗 增加終端節(jié)點的工 作時間 設(shè)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 圖 2 終端節(jié)點工作流程 3 2 云平臺的接入及手機 APP 的生成 利用機智云平臺將設(shè)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(shè)備快速接入 應(yīng)用端開發(fā) 產(chǎn)品考量 云端搭建等覆蓋從設(shè)備接入到運營 數(shù)據(jù)管理的全生命周期服務(wù) 當(dāng)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(yīng)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(diào)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(diào)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(shè)備列表中的項目被點亮激活 表示 WiFi 2020年 第 4期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 全面感知 Comprehensive Perception 15 模塊已接入云端 并能從服務(wù)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 圖 3 手機客戶端 UI 界面 4 結(jié) 語 本次設(shè)計的室內(nèi)植物監(jiān)護系統(tǒng)作為智能家居的補充 實 現(xiàn)了對室內(nèi)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(nèi)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 1 王飛 智能家居應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展分析 J 通信世界 2016 2 267 2 侯永進 基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 智能灌溉系統(tǒng) J 中國 管理信息化 2016 12 174 175 3 李妤薇 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與設(shè)計實現(xiàn) D 南京 南京郵電大學(xué) 2014 4 杜德飛 智能家居無線系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn) D 廣州 華南理工大學(xué) 2012 5 李康 智能灌溉與植物養(yǎng)護系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) D 成都 西南石 油大學(xué) 2016 6 李萬林 基于 ZigBee 的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究 D 西安 長安大學(xué) 2013 7 張寅飛 基于 CC2430 的 ZigBee 無線組網(wǎng)技術(shù) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2011 1 6 66 67 8 張亮 基于 ZigBee 的智能室內(nèi)植物監(jiān)護系統(tǒng) D 武漢 武漢科 技大學(xué) 2009 9 吳藝娟 秦彩云 萬米洋 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測 系統(tǒng)設(shè)計 J 北京石油化工學(xué)院學(xué)報 2013 1 46 50 10 蔡曉宇 基于 ZigBee 和 Android 技術(shù)的家庭環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng) D 南京 南京師范大學(xué) 2012 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(shù) 和跟蹤 試驗結(jié)果表明 本文方法對于多目標(biāo)的跟蹤和檢測 具有很好的效果 下一階段將繼續(xù)優(yōu)化程序以加快檢測和跟 蹤速率 參考文獻 1 曾巧玲 文貢堅 運動目標(biāo)跟蹤綜述 J 重慶理工大學(xué)學(xué)報 自 然科學(xué)版 2016 30 7 103 111 2 BARNICH O DROOGENBROECK M V ViBe a universal background subtraction algorithm for video sequences J IEEE transactions on image processing 2011 20 6 1709 1724 3 厲丹 鮑蓉 孫金萍 等 多分辨率 LK 光流聯(lián)合 SURF 的跟蹤 方法 J 計算機應(yīng)用 2017 37 3 806 810 4 歐陽梓標(biāo) 牛燕雄 謝朋言 一種改進的基于 ViBe 的運動目標(biāo) 檢測方法 J 半導(dǎo)體光電 2018 39 2 260 263 5 徐文瀚 程石磊 基于改進 ViBe 算法的前景檢測 J 電子技術(shù)與 軟件工程 2017 16 82 83 6 KAEWTRAKULPONG P An improved adaptive background mixture model for real time tracking with shadow detection Z Video based surveillance systems computer vision and distributed processing 2001 7 王輝 宋建新 一種基于閾值的自適應(yīng) ViBe 目標(biāo)檢測算法 J 計 算機科學(xué) 2015 z1 154 157 8 李明杰 劉小飛 張福泉 等 基于粒子濾波和背景減除的多 目標(biāo)檢測與跟蹤算法 J 計算機應(yīng)用研究 2018 35 8 272 275 9 LIU F XUAN S LIU X Video target tracking based on a new adaptive particle swarm optimization particle lter C International Conference on Intelligent Computing Springer Berlin Heidelberg 2013 10 張紅瑞 馬永杰 融合混合高斯模型的改進的 ViBe 算法 J 西 北大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2017 43 3 361 366 作者簡介 孫奔奔 1996 男 江蘇人 江蘇理工學(xué)院碩士研究生 研究方向為機電產(chǎn)品檢測與智能控制 上接第 12 頁