2020年 第 4期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 全面感知 Comprehensive Perception 13 0 引 言 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展 它逐漸被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被應(yīng)用于智能家居和智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域后取得了卓越的 成就 但眼下卻還沒有一款具體的實(shí)施方案與室內(nèi)植物的監(jiān) 護(hù)相關(guān) 1 植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)雖屬于智慧農(nóng)業(yè)中花卉 綠植養(yǎng)殖 的范疇 但物聯(lián)網(wǎng)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究因環(huán)境 規(guī)模不同 無法直接套用在室內(nèi)的植物監(jiān)護(hù)上 2 為解決該問題 本文 設(shè)計(jì)了一套基于 ZigBee 的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng) ZigBee 技術(shù) 與 WiFi 技術(shù)相結(jié)合的無線通信方式可以替代布線等繁瑣的 有線傳輸方式 另外 機(jī)智云平臺(tái)的運(yùn)用不僅降低了系統(tǒng)的 研發(fā)成本 還將硬件進(jìn)行了智能化升級(jí) 只需要一部智能手 機(jī)就能快速訪問植物在家中的生長(zhǎng)環(huán)境或進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù) 極 大地方便了用戶使用 解決了家庭及類似環(huán)境中多日無人看 護(hù)綠植的難題 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)和本設(shè)計(jì)的特點(diǎn) 將系統(tǒng)分為感知 部分 傳輸部分和應(yīng)用部分 功能如下 1 感知部分使用傳感器實(shí)現(xiàn)植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí) 采集 2 傳輸部分以 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和 WiFi 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式 將感知部分采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸 最終通過路由器和云 平臺(tái)將采集的數(shù)據(jù)傳送給用戶手機(jī) 3 應(yīng)用部分利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng) 并生 成手機(jī) APP UI 界面 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程操作 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 感知部分用于植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集 由光照強(qiáng) 度傳感器 環(huán)境溫濕度傳感器 土壤濕度傳感器的各終端節(jié) 點(diǎn)構(gòu)成 與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò) 傳輸部分包括 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) WiFi 網(wǎng)關(guān)和路由器 ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)處理終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔?從中提取出將 被顯示給用戶的溫濕度 光照強(qiáng)度和土壤濕度數(shù)據(jù) 然后將 這些數(shù)據(jù)以 AT 指令的形式發(fā)送給 WiFi 模塊 WiFi 模塊通 過路由器接入云服務(wù)器 將收到的數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)客戶端 應(yīng)用部分利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng) 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件框架包括 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn) ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn) WiFi 網(wǎng)關(guān)和路由器等 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圍繞終端節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)展開 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集和 發(fā)送 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮終端節(jié)點(diǎn)的通信技術(shù)以及 如何將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給管理平臺(tái)等問題 3 2 1 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) ZigBee 終端模塊由 ZigBee 開發(fā)板和與之相連的 DHT11 溫濕度傳感器 土壤濕度采集模塊 光照強(qiáng)度采集模塊 繼 電器控制模塊組成 各數(shù)據(jù)采集傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)收集植物的 3 個(gè)主要生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù) 基于 ZigBee 的智能室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 霍道偉 安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院 安徽 淮南 232001 摘 要 針對(duì)室內(nèi)植物多日無人看護(hù)的難題 研究并設(shè)計(jì)了一套基于 ZigBee 技術(shù)的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng) 將 CC2530 作為系統(tǒng)主控芯片 與各類傳感器采集模塊及繼電器模塊共同組成 ZigBee 終端模塊 系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)將采 集的植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)傳送至協(xié)調(diào)器 協(xié)調(diào)器處理后轉(zhuǎn)發(fā)到 WiFi 模塊 WiFi 模塊再通過路由器接入云平臺(tái) 用戶 可在云平臺(tái)生成的手機(jī) APP 或?qū)?yīng)網(wǎng)頁上查看室內(nèi)植物的實(shí)時(shí)信息 也能根據(jù)需要下發(fā)指令 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能監(jiān)護(hù) 關(guān)鍵詞 ZigBee CC2530 芯片 WiFi 室內(nèi)植物監(jiān)護(hù) 傳感器 物聯(lián)網(wǎng) 云平臺(tái) 中圖分類號(hào) TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095 1302 2020 04 0013 03 收稿日期 2019 10 12 修回日期 2019 11 13 基金項(xiàng)目 光纖器件生產(chǎn)廠國家標(biāo)準(zhǔn)制造地方政府獎(jiǎng)勵(lì)基金 1C067 DOI 10 16667 j issn 2095 1302 2020 04 003 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2020年 第 4期 全面感知 Comprehensive Perception 14 該模塊放置在室內(nèi)植物旁邊 其主要功能如下 1 將各傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合后無線傳輸給協(xié) 調(diào)器 2 執(zhí)行來自協(xié)調(diào)器的指令 通過控制電磁閥打開或關(guān) 閉水閥 窗簾 空調(diào) 加濕器 電燈等家用電器 以實(shí)現(xiàn)植 物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)控 2 2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)使用 CC2530 芯片作為 ZigBee 模塊的主控芯片 CC2530內(nèi)部的低功耗 8051微控制器內(nèi)核具有代碼預(yù)取功能 性能優(yōu)異且易于學(xué)習(xí) 同時(shí)還擁有強(qiáng)大的外設(shè) 支持 4 種供 電模式 4 是真正的單芯片解決方案 且其協(xié)議棧對(duì)外開放 可免費(fèi)下載 在無形中降低了產(chǎn)品研發(fā)成本 WiFi 模塊的主 控芯片選用 ESP8266 芯片 它具有功耗低 價(jià)格低 高度集 成 工作溫度范圍超寬等優(yōu)點(diǎn) 5 可適用于各種場(chǎng)合 2 3 控制模塊設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中使用的負(fù)載主要包括空調(diào) 窗簾 加濕器和電 磁閥等 這些負(fù)載的開閉都需要通過繼電器控制 單片機(jī)采 用輪詢方式監(jiān)測(cè)各傳感器的數(shù)據(jù)采集 并與事先設(shè)定的閾值 進(jìn)行比較 輸出相應(yīng)的開關(guān)信號(hào) 0 或 1 控制固態(tài)繼 電器開閉 從而控制負(fù)載工作 當(dāng)監(jiān)測(cè)到的室內(nèi)溫濕度值高 于設(shè)定的閾值時(shí) 終端節(jié)點(diǎn)將控制空調(diào) 加濕器等設(shè)備的繼 電器閉合來調(diào)節(jié)環(huán)境溫度和濕度 同理 當(dāng)監(jiān)測(cè)的土壤濕度 低于植物所需值時(shí) 終端節(jié)點(diǎn)通過控制繼電器使電磁閥開啟 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉 當(dāng)監(jiān)測(cè)到環(huán)境的光照強(qiáng)度過強(qiáng)時(shí) 可以自動(dòng) 降低窗簾高度 2 4 傳感器選型 溫度不僅影響植物的光合作用 還影響植物對(duì)水分的吸 收 而濕度會(huì)影響植物的蒸騰作用 所以溫濕度對(duì)植物的生 長(zhǎng)至關(guān)重要 使用 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器采集空氣中的 溫度和濕度信息 它不僅響應(yīng)速度快 價(jià)格低 同時(shí)抗干擾 能力也十分突出 因此極其適合本系統(tǒng)使用 土壤濕度過高容易滋生大量細(xì)菌 危害植物的生長(zhǎng) 土 壤濕度過低 植物無法充分吸收土壤中的養(yǎng)分 YL 69 土壤 濕度傳感器的感應(yīng)表面經(jīng)過加寬與鍍鎳處理后 具有導(dǎo)電性 好 防銹 壽命長(zhǎng)等特點(diǎn) 另外 電位器可以調(diào)節(jié)和控制相 應(yīng)閾值 能在很寬的范圍內(nèi)控制土壤的濕度 室內(nèi)光照強(qiáng)度會(huì)影響植物的光合作用和呼吸作用 采用 GY 30 光照傳感器來采集室內(nèi)的光照強(qiáng)度 GY 30 輸出數(shù)字 信號(hào) 省略了復(fù)雜的計(jì)算 兩線式串行的總線接口方便讀取 數(shù)據(jù) 傳感器探測(cè)光照強(qiáng)度范圍大 分辨率高 6 GY 30 光 照傳感器完全可滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)主要有三個(gè)通信過程 即 ZigBee 組網(wǎng) WiFi 初始化后通過路由器接入云服務(wù)器 云端與手機(jī) APP 通信 軟件設(shè)計(jì)主要包括 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì) 協(xié) 調(diào)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和 WiFi 模塊程序設(shè)計(jì) 以及云服務(wù)器的搭 建與安卓 APP 的設(shè)計(jì) 3 1 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì) 終端節(jié)點(diǎn)完成 Z Stack 初始化后 只需加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組建 網(wǎng)絡(luò) 就可以調(diào)用各傳感器來采集植物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù) 并 定時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 同時(shí)接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)下發(fā)的開 關(guān)指令 調(diào)用繼電器模塊開關(guān)水閥等 完成環(huán)境參數(shù)采集和 遠(yuǎn)程調(diào)控任務(wù) 為了最大限度降低功耗 增加終端節(jié)點(diǎn)的工 作時(shí)間 設(shè)計(jì)中增加了終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)睡眠和定時(shí)喚醒功能 7 終端節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化工作流程如圖 2 所示 圖 2 終端節(jié)點(diǎn)工作流程 3 2 云平臺(tái)的接入及手機(jī) APP 的生成 利用機(jī)智云平臺(tái)將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn) 程控制 該云平臺(tái)提供了從產(chǎn)品項(xiàng)目創(chuàng)建 設(shè)備快速接入 應(yīng)用端開發(fā) 產(chǎn)品考量 云端搭建等覆蓋從設(shè)備接入到運(yùn)營 數(shù)據(jù)管理的全生命周期服務(wù) 當(dāng)我們?cè)跈C(jī)智云平臺(tái)上新建項(xiàng) 目 并為項(xiàng)目添加數(shù)據(jù)點(diǎn)后 平臺(tái)會(huì)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的手機(jī) APP UI 界面 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示并下發(fā)控制命令 3 3 系統(tǒng)運(yùn)行及實(shí)測(cè) 將 WiFi 模塊連接到 ZigBee 的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn) 然后為各模塊 上電重啟 待各模塊正常工作后 即可看到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的顯示 屏上顯示終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù) 表示 ZigBee組網(wǎng)成功 在手機(jī) APP 上 設(shè)備列表中的項(xiàng)目被點(diǎn)亮激活 表示 WiFi 2020年 第 4期 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 全面感知 Comprehensive Perception 15 模塊已接入云端 并能從服務(wù)器上正常發(fā)送數(shù)據(jù) 圖 3 所示 為手機(jī)客戶端 UI 界面 可以看到 數(shù)據(jù)均能正常顯示 表 示系統(tǒng)正常運(yùn)行 測(cè)試完成 圖 3 手機(jī)客戶端 UI 界面 4 結(jié) 語 本次設(shè)計(jì)的室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為智能家居的補(bǔ)充 實(shí) 現(xiàn)了對(duì)室內(nèi)綠植的遠(yuǎn)程監(jiān)控和自動(dòng)灌溉 方便人們實(shí)時(shí)了解 綠植的生長(zhǎng)環(huán)境 不僅節(jié)約了使用者的時(shí)間 更實(shí)現(xiàn)了他們 家中無人綠植也可以正常生長(zhǎng)的愿望 該系統(tǒng)方便人們養(yǎng)護(hù) 綠植 提高了室內(nèi)綠植的存活率 同時(shí)拓展了智能家居的范 疇 為家居植物的種植智能化發(fā)展提供了可能 參考文獻(xiàn) 1 王飛 智能家居應(yīng)用現(xiàn)狀及其發(fā)展分析 J 通信世界 2016 2 267 2 侯永進(jìn) 基于大數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用 智能灌溉系統(tǒng) J 中國 管理信息化 2016 12 174 175 3 李妤薇 基于 ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研究與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) D 南京 南京郵電大學(xué) 2014 4 杜德飛 智能家居無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) D 廣州 華南理工大學(xué) 2012 5 李康 智能灌溉與植物養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 成都 西南石 油大學(xué) 2016 6 李萬林 基于 ZigBee 的無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究 D 西安 長(zhǎng)安大學(xué) 2013 7 張寅飛 基于 CC2430 的 ZigBee 無線組網(wǎng)技術(shù) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2011 1 6 66 67 8 張亮 基于 ZigBee 的智能室內(nèi)植物監(jiān)護(hù)系統(tǒng) D 武漢 武漢科 技大學(xué) 2009 9 吳藝娟 秦彩云 萬米洋 基于 ZigBee 技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào) 2013 1 46 50 10 蔡曉宇 基于 ZigBee 和 Android 技術(shù)的家庭環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng) D 南京 南京師范大學(xué) 2012 作者簡(jiǎn)介 霍道偉 1995 男 安徽阜陽人 碩士研究生 研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù) 和跟蹤 試驗(yàn)結(jié)果表明 本文方法對(duì)于多目標(biāo)的跟蹤和檢測(cè) 具有很好的效果 下一階段將繼續(xù)優(yōu)化程序以加快檢測(cè)和跟 蹤速率 參考文獻(xiàn) 1 曾巧玲 文貢堅(jiān) 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤綜述 J 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào) 自 然科學(xué)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 厲丹 鮑蓉 孫金萍 等 多分辨率 LK 光流聯(lián)合 SURF 的跟蹤 方法 J 計(jì)算機(jī)應(yīng)用 2017 37 3 806 810 4 歐陽梓標(biāo) 牛燕雄 謝朋言 一種改進(jìn)的基于 ViBe 的運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 檢測(cè)方法 J 半導(dǎo)體光電 2018 39 2 260 263 5 徐文瀚 程石磊 基于改進(jìn) ViBe 算法的前景檢測(cè) J 電子技術(shù)與 軟件工程 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 王輝 宋建新 一種基于閾值的自適應(yīng) ViBe 目標(biāo)檢測(cè)算法 J 計(jì) 算機(jī)科學(xué) 2015 z1 154 157 8 李明杰 劉小飛 張福泉 等 基于粒子濾波和背景減除的多 目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤算法 J 計(jì)算機(jī)應(yīng)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 張紅瑞 馬永杰 融合混合高斯模型的改進(jìn)的 ViBe 算法 J 西 北大學(xué)學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2017 43 3 361 366 作者簡(jiǎn)介 孫奔奔 1996 男 江蘇人 江蘇理工學(xué)院碩士研究生 研究方向?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品檢測(cè)與智能控制 上接第 12 頁