基于傳感網(wǎng)絡(luò)的家居植物智能澆灌系統(tǒng)

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及云平臺等技術(shù)，構(gòu)建家居植物智能澆灌系統(tǒng)。傳感器節(jié)點搭載溫度、濕度、光照及土壤濕度傳感器，傳感網(wǎng)絡(luò)通過WiFi技術(shù)上傳實時數(shù)據(jù)到中央控制器，通過中央控制器對其環(huán)境進行判斷，從而實現(xiàn)對植物適時的澆灌，同時，中央控制器可將實時數(shù)據(jù)上傳至OneNET云平臺，用戶可通過云平臺遠程查看植物生長情況。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)）標識碼（OSID）：1引言為適應(yīng)用戶即節(jié)約時間又能享受綠植帶來的優(yōu)質(zhì)空氣的需求，智能澆灌逐步進入人們的視野，目前市場上絕大多數(shù)智能灌溉產(chǎn)品本質(zhì)上是定時器或流量控制計。較為常見的有時控型和濕控型兩種，時控型通過設(shè)置澆灌間隔時間，對植物進行定時定量的澆灌，濕控型是通過監(jiān)測土壤濕度，當濕度低于設(shè)定的閾值時對植物進行澆灌。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)境因素對植物進行適時的澆灌。近年來，我國眾多學(xué)者對基于傳感網(wǎng)絡(luò)的智能澆灌系統(tǒng)進行了研究，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時環(huán)境因素，對家居植物智能澆灌系統(tǒng)進行設(shè)計，通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)傳感節(jié)點與中央控制器的數(shù)據(jù)傳輸，借助遠程訪問傳感網(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，以供用戶遠程實時查看。2系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)總體設(shè)計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、WiFi通信模塊及云平臺組成，其中，傳感節(jié)點包括一個以ESP8266為主控芯片的NodeMCU模塊、一個DHT11溫濕度傳感器、一個GY30光照傳感器、一個土壤濕度傳感器和一個水泵五部分，中央控制器采用

4、樹莓派3 Model B，云平臺采用OneNET開放云平臺。本系統(tǒng)考慮到家庭面積以及綠植面積，暫采用三個傳感節(jié)點，在實際運用中可根據(jù)實際情況增加傳感節(jié)點。傳感節(jié)點通過WiFi與中央控制器相連，并通過TCP/IP協(xié)議將實時數(shù)據(jù)上傳中央控制器。中央控制器對各個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理，返回處理結(jié)果，并將實時環(huán)境數(shù)據(jù)上傳OneNET云平臺，用戶可遠程登錄云平臺查看數(shù)據(jù)。2.2硬件模塊設(shè)計2.2.1中央控制器在本系統(tǒng)中傳感節(jié)點的實時數(shù)據(jù)需通過中央控制器接入互聯(lián)網(wǎng)，上傳OneNET云平臺，因此中央控制器需具有良好的可擴展性與高效率的運行性?；诖耍疚倪x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功能并帶有一個以太網(wǎng)口，可滿足設(shè)計需求。2.2.2傳感節(jié)點設(shè)計本設(shè)計選用NodeMCU作為傳感節(jié)點的核心，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)引腳可供接收各個傳感器數(shù)據(jù)使用，并且具有低功耗的優(yōu)點。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)點電路圖如圖2所示。2.3程序設(shè)計2.3.1程序總體設(shè)計本系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，結(jié)合軟件編寫實現(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)，同時開啟TCP Server服務(wù)，傳感節(jié)點通過WiFi連接到中央控制器并建立TCP連接。連接成功后，傳感節(jié)點向中央控制器上傳實時數(shù)據(jù)，中央控制器接收并處理后向傳感節(jié)點回復(fù)處理結(jié)果，并將收到的實時數(shù)據(jù)上傳OneNET

7、云平臺。節(jié)點根據(jù)返回的信息判斷是否澆灌。2.3.2傳感節(jié)點程序設(shè)計NodeMCU為傳感節(jié)點核心，通過WiFi連接傳感節(jié)點與中央控制器，從中央控制器獲取IP地址。各傳感節(jié)點通過不同端口號與中央控制器創(chuàng)建TCP連接。連接成功后，傳感節(jié)點通過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)換為十進制數(shù)據(jù)，因此通過傳感器上的電位器進行調(diào)節(jié)。當濕度低于閾值，傳感節(jié)點接收到高電平;當濕度高于閾值，傳感節(jié)點接收到低電平，其中閾值通過實際環(huán)境測試得出。當中央控制器返回值為1時則對植物澆水。為兼容并適應(yīng)各種情況，本系統(tǒng)設(shè)

8、置每次澆水時間為兩秒。傳感節(jié)點程序流程圖如圖3所示。2.3.3中央控制器程序設(shè)計中央控制器通過綁定本機IP地址與不同端口，開啟TCP Server服務(wù)，接收各傳感節(jié)點數(shù)據(jù)。設(shè)置氣溫閾值為30，空氣濕度為80%，光照強度為25000lx。對比實時環(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云平臺中用戶唯一的設(shè)備APIkey和設(shè)備API地址，實現(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)測試3.1適時環(huán)境測試將一個節(jié)點置于無陽光直射、土壤較為干燥的環(huán)境，模擬傳感節(jié)點的澆灌情況。通過

9、OneNET云平臺查看實時環(huán)境數(shù)據(jù)，當各項參數(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非適時環(huán)境測試太陽直射的正午澆水，植物會產(chǎn)生吐水現(xiàn)象。為進行非適時環(huán)境測試，將傳感節(jié)點放到正午太陽直射且土壤濕度較低的環(huán)境中，通過測試在此環(huán)境中澆灌系統(tǒng)不會澆灌植物。通過OneNET云平臺可發(fā)現(xiàn)此時光照強度大于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對植物進行澆灌。非適時條件下各參數(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)合當下熱門的OneNET云平臺，實現(xiàn)了在智能澆灌的同時遠程查看環(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，在以后的研究中將進一步完善。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