基于ZigBee的智能室内植物监护系统.pdf

2020年 第 4期 物联网技术 全面感知 Comprehensive Perception 13 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 图 1 系统结构 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 终端模块由 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 基于 ZigBee 的智能室内植物监护系统 霍道伟 安徽理工大学 电气与信息工程学院 安徽 淮南 232001 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 0013 03 收稿日期 2019 10 12 修回日期 2019 11 13 基金项目 光纤器件生产厂国家标准制造地方政府奖励基金 1C067 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2020 04 003 物联网技术 2020年 第 4期 全面感知 Comprehensive Perception 14 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 图 2 终端节点工作流程 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 2020年 第 4期 物联网技术 全面感知 Comprehensive Perception 15 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 图 3 手机客户端 UI 界面 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 家中无人绿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 和跟踪 试验结果表明 本文方法对于多目标的跟踪和检测 具有很好的效果 下一阶段将继续优化程序以加快检测和跟 踪速率 参考文献 1 曾巧玲 文贡坚 运动目标跟踪综述 J 重庆理工大学学报 自 然科学版 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 厉丹 鲍蓉 孙金萍 等 多分辨率 LK 光流联合 SURF 的跟踪 方法 J 计算机应用 2017 37 3 806 810 4 欧阳梓标 牛燕雄 谢朋言 一种改进的基于 ViBe 的运动目标 检测方法 J 半导体光电 2018 39 2 260 263 5 徐文瀚 程石磊 基于改进 ViBe 算法的前景检测 J 电子技术与 软件工程 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 王辉 宋建新 一种基于阈值的自适应 ViBe 目标检测算法 J 计 算机科学 2015 z1 154 157 8 李明杰 刘小飞 张福泉 等 基于粒子滤波和背景减除的多 目标检测与跟踪算法 J 计算机应用研究 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 张红瑞 马永杰 融合混合高斯模型的改进的 ViBe 算法 J 西 北大学学报 自然科学版 2017 43 3 361 366 作者简介 孙奔奔 1996 男 江苏人 江苏理工学院硕士研究生 研究方向为机电产品检测与智能控制 上接第 12 页