基于傳感網(wǎng)絡(luò)的家居植物智能澆灌系統(tǒng)

王光耀 袁凌云

摘要：隨著生活品質(zhì)的提升，家居盆栽越來(lái)越多，但繁忙的工作使得人們不能適時(shí)澆灌家中的盆栽，造成植物死亡率增高的現(xiàn)象。因此本系統(tǒng)基于傳感網(wǎng)絡(luò)、WiFi及云平臺(tái)等技術(shù)，構(gòu)建家居植物智能澆灌系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)搭載溫度、濕度、光照及土壤濕度傳感器，傳感網(wǎng)絡(luò)通過(guò)WiFi技術(shù)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到中央控制器，通過(guò)中央控制器對(duì)其環(huán)境進(jìn)行判斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植物適時(shí)的澆灌，同時(shí)，中央控制器可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺(tái)，用戶可通過(guò)云平臺(tái)遠(yuǎn)程查看植物生長(zhǎng)情況。該系統(tǒng)有效降低了家居植物缺水死亡概率，使種植家居植物變得更容易，也為智能家居的精細(xì)化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：傳感網(wǎng)絡(luò);WiFi;智能澆灌;OneNET

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）26-0075-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1引言

為適應(yīng)用戶即節(jié)約時(shí)間又能享受綠植帶來(lái)的優(yōu)質(zhì)空氣的需求，智能澆灌逐步進(jìn)入人們的視野，目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)智能灌溉產(chǎn)品本質(zhì)上是定時(shí)器或流量控制計(jì)。較為常見(jiàn)的有時(shí)控型和濕控型兩種，時(shí)控型通過(guò)設(shè)置澆灌間隔時(shí)間，對(duì)植物進(jìn)行定時(shí)定量的澆灌，濕控型是通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤濕度，當(dāng)濕度低于設(shè)定的閾值時(shí)對(duì)植物進(jìn)行澆灌。但這兩種澆灌類(lèi)型參考的環(huán)境參數(shù)較為單一，未綜合考慮環(huán)境因素對(duì)植物進(jìn)行適時(shí)的澆灌。近年來(lái)，我國(guó)眾多學(xué)者對(duì)基于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能澆灌系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要用于蔬菜大棚的整體控制和智能澆灌，針對(duì)家居植物智能澆灌系統(tǒng)的研究較少且考慮較為片面[1-3]。

本系統(tǒng)綜合考慮影響植物澆灌的實(shí)時(shí)環(huán)境因素，對(duì)家居植物智能澆灌系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)與中央控制器的數(shù)據(jù)傳輸，借助遠(yuǎn)程訪問(wèn)傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的相關(guān)技術(shù)，將數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺(tái)，以供用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本家居植物智能澆灌系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由中央控制器、傳感節(jié)點(diǎn)、WiFi通信模塊及云平臺(tái)組成，其中，傳感節(jié)點(diǎn)包括一個(gè)以ESP8266為主控芯片的NodeMCU模塊、一個(gè)DHT11溫濕度傳感器、一個(gè)GY30光照傳感器、一個(gè)土壤濕度傳感器和一個(gè)水泵五部分，中央控制器采用樹(shù)莓派3 Model B，云平臺(tái)采用OneNET開(kāi)放云平臺(tái)。本系統(tǒng)考慮到家庭面積以及綠植面積，暫采用三個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)實(shí)際情況增加傳感節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi與中央控制器相連，并通過(guò)TCP/IP協(xié)議將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳中央控制器。中央控制器對(duì)各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，返回處理結(jié)果，并將實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺(tái)，用戶可遠(yuǎn)程登錄云平臺(tái)查看數(shù)據(jù)。

2.2硬件模塊設(shè)計(jì)

2.2.1中央控制器

在本系統(tǒng)中傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需通過(guò)中央控制器接入互聯(lián)網(wǎng)，上傳OneNET云平臺(tái)，因此中央控制器需具有良好的可擴(kuò)展性與高效率的運(yùn)行性。基于此，本文選擇樹(shù)莓派3 Model B作為中央控制器，其采用ARM1176JZ微處理器，具有Wireless LAN功能并帶有一個(gè)以太網(wǎng)口，可滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2.2傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用NodeMCU作為傳感節(jié)點(diǎn)的核心，其基于WiFi芯片ESP8266，帶有WiFi通信模塊，NodeMCU具有足夠的電源、公共端及數(shù)據(jù)引腳可供接收各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)使用，并且具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)將GY30光照傳感器的SDA、SCL接口分別接到NodeMCU的D1、D2引腳，獲取光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。將DHT11溫濕度傳感器的DATA接口接到NodeMCU的D5引腳，通過(guò)固件函數(shù)讀取傳感器的溫濕度數(shù)據(jù)。將土壤濕度傳感器的D0接口接到NodeMCU的D6引腳，通過(guò)讀取該數(shù)據(jù)引腳的電平值可知當(dāng)前土壤濕度與閾值的關(guān)系。

由于水泵不含數(shù)據(jù)引腳，采用A1015三極管控制水泵開(kāi)關(guān)，將三極管的基極接到NodeMCU的D3引腳。由于NodeMCU的引腳數(shù)量不足，所以將溫濕度傳感器及土壤濕度傳感器的電源均接到同一引腳上。傳感節(jié)點(diǎn)電路圖如圖2所示。

2.3程序設(shè)計(jì)

2.3.1程序總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合軟件編寫(xiě)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。中央控制器開(kāi)啟WiFi，設(shè)置為AP模式，提供無(wú)線接入服務(wù)，同時(shí)開(kāi)啟TCP Server服務(wù)，傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)WiFi連接到中央控制器并建立TCP連接。連接成功后，傳感節(jié)點(diǎn)向中央控制器上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，中央控制器接收并處理后向傳感節(jié)點(diǎn)回復(fù)處理結(jié)果，并將收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺(tái)。節(jié)點(diǎn)根據(jù)返回的信息判斷是否澆灌。

2.3.2傳感節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

NodeMCU為傳感節(jié)點(diǎn)核心，通過(guò)WiFi連接傳感節(jié)點(diǎn)與中央控制器，從中央控制器獲取IP地址。各傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)不同端口號(hào)與中央控制器創(chuàng)建TCP連接。連接成功后，傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)TCP/IP協(xié)議每隔十秒鐘向中央控制器發(fā)送數(shù)據(jù)。

溫濕度與光照數(shù)據(jù)通過(guò)函數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值。由于NodeMCU和所選土壤濕度傳感器不能將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此通過(guò)傳感器上的電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)濕度低于閾值，傳感節(jié)點(diǎn)接收到高電平;當(dāng)濕度高于閾值，傳感節(jié)點(diǎn)接收到低電平，其中閾值通過(guò)實(shí)際環(huán)境測(cè)試得出。

當(dāng)中央控制器返回值為1時(shí)則對(duì)植物澆水。為兼容并適應(yīng)各種情況，本系統(tǒng)設(shè)置每次澆水時(shí)間為兩秒。傳感節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3所示。

2.3.3中央控制器程序設(shè)計(jì)

中央控制器通過(guò)綁定本機(jī)IP地址與不同端口，開(kāi)啟TCP Server服務(wù)，接收各傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。設(shè)置氣溫閾值為30℃，空氣濕度為80%，光照強(qiáng)度為25000lx。對(duì)比實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)與閾值，若數(shù)據(jù)均滿足澆水條件，則中央控制器向傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)“1”;若數(shù)據(jù)不滿足澆水條件，發(fā)送數(shù)據(jù)“0”。

程序使用HTTP協(xié)議，通過(guò)綁定OneNET云平臺(tái)中用戶唯一的設(shè)備APIkey和設(shè)備API地址，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。中央控制器程序流程圖如圖4所示。

3系統(tǒng)測(cè)試

3.1適時(shí)環(huán)境測(cè)試

將一個(gè)節(jié)點(diǎn)置于無(wú)陽(yáng)光直射、土壤較為干燥的環(huán)境，模擬傳感節(jié)點(diǎn)的澆灌情況。通過(guò)OneNET云平臺(tái)查看實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)均滿足澆灌條件，澆灌系統(tǒng)澆灌植物，澆灌完成后土壤濕度數(shù)據(jù)由1變?yōu)?。適時(shí)環(huán)境條件下各參數(shù)曲線圖如圖5-圖8所示。

3.2.2非適時(shí)環(huán)境測(cè)試

太陽(yáng)直射的正午澆水，植物會(huì)產(chǎn)生吐水現(xiàn)象。為進(jìn)行非適時(shí)環(huán)境測(cè)試，將傳感節(jié)點(diǎn)放到正午太陽(yáng)直射且土壤濕度較低的環(huán)境中，通過(guò)測(cè)試在此環(huán)境中澆灌系統(tǒng)不會(huì)澆灌植物。通過(guò)OneNET云平臺(tái)可發(fā)現(xiàn)此時(shí)光照強(qiáng)度大于25000lx，高于設(shè)定的閾值，其余環(huán)境數(shù)據(jù)均滿足澆灌條件，土壤濕度均為1，表示澆灌系統(tǒng)并未澆灌盆栽，說(shuō)明該系統(tǒng)在太陽(yáng)直射的情況下不會(huì)對(duì)植物進(jìn)行澆灌。非適時(shí)條件下各參數(shù)曲線圖如圖9-圖12所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了家居植物智能澆灌系統(tǒng)，以樹(shù)莓派3 Model B為中央控制器，以NodeMCU模塊為傳感節(jié)點(diǎn)的核心，應(yīng)用WiFi、TCP等技術(shù)，綜合考慮影響植物澆灌的環(huán)境參數(shù)，結(jié)合當(dāng)下熱門(mén)的OneNET云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了在智能澆灌的同時(shí)遠(yuǎn)程查看環(huán)境數(shù)據(jù)及其變化情況，系統(tǒng)操作靈活、顯示直觀。但也依然存在一些問(wèn)題，在傳感器精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面還有待加強(qiáng)，在以后的研究中將進(jìn)一步完善。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】