基于物聯(lián)網(wǎng)的盆栽遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用分析

高波　彭程　王志勇　李兆澤　邢世杰　周利杰

摘要：針對(duì)室內(nèi)盆栽長期無人看守養(yǎng)護(hù)的情況，研究設(shè)計(jì)了一種利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的盆栽遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。首先，該系統(tǒng)根據(jù)ZigBee輕型無線通信協(xié)議建立了由CC2530作為感知終端控制器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，然后主控單元樹莓派三代與感知層節(jié)點(diǎn)串口通信，并通過搭建Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，最后遠(yuǎn)程用戶可由Internet與Web服務(wù)器的信息交互，實(shí)現(xiàn)盆栽的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。通過現(xiàn)場(chǎng)演示證明，該盆栽物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)具有良好的可靠性。

關(guān)鍵詞：盆栽;物聯(lián)網(wǎng);ZigBee;Web服務(wù)器;遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用[1-2]。其中，盆栽養(yǎng)護(hù)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控植物所需的水、光和營養(yǎng)等環(huán)境數(shù)據(jù)，保證其能夠健康生長。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)過分依賴感知終端和互聯(lián)網(wǎng)的直接通信[3]，這種方式會(huì)隨著終端數(shù)量的增加而加重通信負(fù)擔(dān)。鑒于此，本文采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]，可同時(shí)允許多個(gè)感知終端接入Internet，建立盆栽物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制。

1 盆栽物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1? ? 總體結(jié)構(gòu)

盆栽物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由下到上分別是感知執(zhí)行層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中，感知執(zhí)行層包括傳感器和執(zhí)行模塊，比如溫度、濕度、光照強(qiáng)度等傳感器以及水泵、遮陽電機(jī)、營養(yǎng)液投放器等執(zhí)行單元。CC2530節(jié)點(diǎn)控制器利用ZigBee/Z-Stack協(xié)議棧建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，形成數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)并通過RS485串口與樹莓派三代主控制器進(jìn)行信息交互。

網(wǎng)絡(luò)層中，樹莓派三代主控系統(tǒng)作為中樞節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)感知層數(shù)據(jù)與Internet之間的交互。主控單元在Linux系統(tǒng)下搭建Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，并通過Wi-Fi模塊與互聯(lián)網(wǎng)相連。Web服務(wù)器可以響應(yīng)用戶請(qǐng)求，數(shù)據(jù)庫可以存儲(chǔ)終端節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層由手機(jī)小程序和PC機(jī)端組成，通過Internet訪問中樞節(jié)點(diǎn)Web服務(wù)器，獲取盆栽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，并可以將用戶需求下發(fā)給盆栽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息交互。

1.2? ? 系統(tǒng)主要功能

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)的盆栽監(jiān)控系統(tǒng)，其主要功能包括以下四大方面：

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。針對(duì)盆栽環(huán)境數(shù)據(jù)，采用DHT11溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集空氣環(huán)境溫度和濕度，YL69濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，利用光敏電阻獲取光照強(qiáng)度。同時(shí)，采用圖像傳輸、電壓/電流測(cè)量等方式獲取系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。最終在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下，利用上述監(jiān)測(cè)方式獲取實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控系統(tǒng)，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和交互。

（2）智能保護(hù)。為提高盆栽遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，設(shè)定了智能保護(hù)、休眠與復(fù)位功能。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常告警后，會(huì)通過用戶端及時(shí)提醒用戶處理異常和故障。警告信號(hào)包括感知層傳感器數(shù)據(jù)的異常（比如光照過強(qiáng)、溫度過高、土壤水分過少等）、系統(tǒng)自身狀態(tài)異常（比如過電壓、過電流、過熱、電池電量不足、水箱缺水、營養(yǎng)液不足等）。

（3）自動(dòng)控制。用戶可以根據(jù)需要，通過手機(jī)APP設(shè)置系統(tǒng)的工作模式，分為手動(dòng)、自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主控制器進(jìn)行分析和判斷，實(shí)現(xiàn)自主澆水、施肥、遮陽等自動(dòng)控制功能。手動(dòng)模式下，用戶可以根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)直接下發(fā)控制命令，完成盆栽的養(yǎng)護(hù)。其中，自動(dòng)施肥屬于定期施肥，施肥周期根據(jù)植物類型對(duì)營養(yǎng)需求不同而設(shè)定。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)涵蓋了串口通信、Z-Stack協(xié)議棧、Web服務(wù)器和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，完成由感知層節(jié)點(diǎn)控制器CC2530、中樞點(diǎn)樹莓派三代控制器到遠(yuǎn)程用戶端的網(wǎng)絡(luò)通信，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)交互。

1.3? ? 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示，主要包括初始化，建立通信網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲(chǔ)，系統(tǒng)分析判斷，命令執(zhí)行等部分。其中，數(shù)據(jù)采集包括上述環(huán)境數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠，降低功耗。

2 技術(shù)要點(diǎn)分析

系統(tǒng)涵蓋了以下五方面關(guān)鍵技術(shù)，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)澆水/施肥、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器、用戶端遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)。

2.1? ? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

為了避免多傳感器終端負(fù)載過重的問題，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee/Z-Stack協(xié)議棧的輕型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)全部感知終端數(shù)據(jù)由CC2530控制器形成匯聚節(jié)點(diǎn)。CC2530控制器電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.2? ? 自動(dòng)澆水和施肥

自動(dòng)澆水或施加營養(yǎng)液的關(guān)鍵是適時(shí)、適量。當(dāng)系統(tǒng)判斷需要澆水時(shí)，通過脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動(dòng)水泵電機(jī)。在這種方式下，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率固定，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比來調(diào)控水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速。自動(dòng)澆水對(duì)應(yīng)電路如圖4所示，其中光耦器件具有電氣隔離的作用。定期自動(dòng)施肥技術(shù)與此相似。系統(tǒng)通過連通器原理，能夠顯示水容量和營養(yǎng)液容量，并通過圖片傳輸完成剩余量的判斷。

2.3? ? 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢，主控系統(tǒng)利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（MySQL）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理。首先設(shè)計(jì)一個(gè)與感知層設(shè)備相對(duì)應(yīng)的終端表“end_device”，然后建立能保存終端設(shè)備監(jiān)測(cè)信息包的數(shù)據(jù)表“data”，最后利用connect（）函數(shù)建立數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象，并用cursor（）建立操控對(duì)象，使用execute（）完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作。同時(shí)，為了降低數(shù)據(jù)采集量，設(shè)置定期清理不必要數(shù)據(jù)的程序。系統(tǒng)以2 h為一個(gè)周期，清理前2 h數(shù)據(jù)的同時(shí)，求得這2 h數(shù)據(jù)的平均值并存在“data_two_Hours”數(shù)據(jù)表里，方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)。

2.4? ? Web服務(wù)器

Web服務(wù)器采用了Apache HTTP Server，其采用Python語言作為服務(wù)器端腳本語言來處理遠(yuǎn)程設(shè)備網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。同時(shí)配置了CGI擴(kuò)展庫和處理網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求的API，并與MySQL數(shù)據(jù)庫建立連接，在互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)基礎(chǔ)上提供查詢服務(wù)。在服務(wù)器中設(shè)定分別用來實(shí)現(xiàn)獲取設(shè)備信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和一定時(shí)間內(nèi)歷史數(shù)據(jù)的3個(gè)服務(wù)腳本，利用SQL語句與數(shù)據(jù)庫交互。

2.5? ? 遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)

遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)主要是指在手機(jī)小程序中開發(fā)的一套小程序，可通過訪問互聯(lián)網(wǎng)Web服務(wù)器獲得盆栽環(huán)境信息，并將這些信息顯示在手機(jī)上。用戶也可以通過小程序發(fā)送控制命令給云服務(wù)器，再由云服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給終端執(zhí)行層，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)盆栽遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)，小程序中設(shè)計(jì)了基于歷史數(shù)據(jù)和天氣環(huán)境的信息，并根據(jù)盆栽類型，綜合分析判斷，給出養(yǎng)護(hù)建議。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

手機(jī)小程序可以顯示智能花盆環(huán)境信息和系統(tǒng)信息，并可以通過微型攝像頭拍照獲取盆栽實(shí)時(shí)狀況和水位信息，如圖5（a）所示。利用APP可以對(duì)盆栽進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，亦可以獲取歷史數(shù)據(jù)，獲得養(yǎng)護(hù)建議等，如圖5（b）所示。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的盆栽監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了相關(guān)功能，具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)語

本文針對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的盆栽遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明了其穩(wěn)定性與可靠性。該系統(tǒng)解決了盆栽長期無人看守下的生長問題，在智能家居建設(shè)中具有重要的參考意義和應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2020-02-26

作者簡介：高波（1989—），男，河南信陽人，助教，從事電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)和科研工作。

通信作者：李兆澤（1999—），男，河北石家莊人，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。