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文檔簡(jiǎn)介
1、 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Summary:隨著生活品質(zhì)的提升,家居盆栽越來越多,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WiFi技術(shù)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到中央控制器,通過中央控制器對(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。Ke
2、y:傳感網(wǎng)絡(luò);WiFi;智能澆灌;OneNET:G434 :A:1009-3044(2019)26-0075-03開放科學(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)。較為常見的有時(shí)控型和濕控型兩種,時(shí)控型通過設(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,我國眾多學(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
3、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),通過無線數(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
4、樹莓派3 Model B,云平臺(tái)采用OneNET開放云平臺(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WiFi與中央控制器相連,并通過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?;诖?,本文選擇樹莓派3 Model B作為中央控制器,其采用AR
5、M1176JZ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,通過讀取該數(shù)據(jù)引腳的電平值可
6、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)合軟件編寫實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。中央控制器開啟WiFi,設(shè)置為AP模式,提供無線接入服務(wù),同時(shí)開啟TCP Server服務(wù),傳感節(jié)點(diǎn)通過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
7、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)
8、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)中央控制器通過綁定本機(jī)IP地址與不同端口,開啟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)置于無陽光直射、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
9、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)放到正午太陽直射且土壤濕度較低的環(huán)境中,通過測(cè)試在此環(huán)境中澆灌系統(tǒng)不會(huì)澆灌植物。通過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,說明該系統(tǒng)在太陽直射的情況下不會(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)束語本文基于傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)
10、計(jì)了家居植物智能澆灌系統(tǒng),以樹莓派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。Reference:1 王志明.一種大棚蔬菜智能澆灌裝置P.中國專利:CN206564963U,2017-10-20.2 陳晨.一種智能澆灌花盆架P.中國專利:CN206433511U,2017-08-25.3 劉海龍.基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2016,39(20):149-153.4 Sandeep Pirbhulal, Heye Zhang. A Novel Secure IoT-Based Smart Home Automation System Using a Wireless Sensor NetworkJ. Sensors, 2017, 17(1):69.【通聯(lián)編輯:王力】電
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