基于物联网的小型植物培养系统设计*

翟丰鋆，谢佳琦，胡 力，朱长城

(吉首大学信息科学与工程学院, 湖南 吉首 416000)

为了提高室内植物的存活率，需要充分考虑温度、湿度和光照等方面的生态条件[1-3]，这将花费人们大量的时间和精力.为此，王光耀等[4]基于传感网络设计了一套家居植物智能浇灌系统，子系统使用WIFI技术分别与路由网关连接，能够实现远程浇灌，然而其WIFI节点相互独立，常规条件下与路由网关连接的个数为10～40，无法完成大规模部署.吴瑞坤等[5]基于ZigBee和Internet技术设计了一套植物培养监控系统，可以实现对植物的远程监测、控制和多模式管理，但是无法实现对不同植物的自动调控.为了解决这些问题，笔者将ZigBee无线传感网络、智能管理和移动终端相结合，拟设计一套基于物联网的小型植物培养系统.

1 系统总体结构设计

系统采用IEEE802.15.4标准低功耗局域网协议的ZigBee技术组建无线传感网络，使用先进的传感器技术采集植物的生长信息.无线传感网络各终端设备将传感器采集到的数据传输到协调器，网关设备通过4G网络通讯模块将协调器传输过来的数据上传至服务器.用户通过手机App，可以查看植物生长情况和查询花卉品种专业数据库，实现无人托管.系统总体结构如图1所示.

图1 系统总体结构Fig. 1 Overall Framework of the System

2 系统硬件设计

ZigBee探测节点采用CC2530芯片，其RF收发器性能优良且自带标准的增强型8051 CPU.1个ZigBee网络理论上可容纳65 536个节点，网络中的任意节点之间可相互通信[6].ZigBee节点的功能是数据采集和设备控制， ZigBee协调器负责整个无线传感网络的组网控制、节点增减，以及ZigBee节点数据的接受和转发.

系统硬件的结构如图2所示.其工作原理为：ZigBee探测节点每隔2 s采集1次传感器信息，传感器信息无线传输至协调器，协调器与STM32F407 MCU之间采用串口通信，MCU通过4G串口模块将传感器信息和摄像头采集的图像信息发送至服务器.ZigBee无线传感网络采用星型网络结构(图3).ZigBee协调器将接收到的探测节点数据通过串口传送至网关，其优点是管理维护容易、节点扩展、移动方便，且便于故障的诊断与隔离.

图2 系统硬件的结构Fig. 2 Hardware Design Block Diagram

图3 ZigBee无线传感网络结构Fig. 3 Wireless Sensor Network Structure of the ZigBee

3 系统软件设计

3.1 ZigBee协调器和探测节点

ZigBee无线传感网络能实现全自动组网，用户根据需求可随意添加或删除ZigBee探测节点.协调器将分散在室内各个角落的ZigBee节点传输过来的传感器数据，通过网关上传到服务器.其程序流程如图4所示.

图4 Zigbee协调器程序流程Fig. 4 Flow Chart of the ZigBee Coordinator

ZigBee节点通过温湿度传感器、光照强度传感器和土壤湿度传感器分别监测空气温湿度、光照强度和土壤湿度，并控制浇水装置、红蓝LED灯和制热设备.其程序流程如图5所示.

图5 Zigbee探测节点程序流程Fig. 5 Flow Chart of the ZigBee Detection Node

3.2 服务器

Netty具有高并发和传输快等优点，能够较好地满足物联网服务器数据量大、传输实时性高的要求[7]，因此服务器采用基于Netty的通信框架.Netty提供异步的、事件驱动的网络应用程序框架和工具，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序.服务端序列如图6所示.

图6 基于Netty的服务端序列Fig. 6 Server Sequence Based on Netty

服务器端主程序设计流程如图7所示.其中MessageBuff为协议体缓存的字节数组，ctx为与服务器连接的通信对象，数据的发送和接收都是通过对象ctx.

图7 服务器端主程序设计流程 Fig. 7 Main Program Design Flow of the Server

3.3 手机客户端

手机客户端为Android客户端，采用Android Studio开发.用户登录账户后绑定网关设备，在网关设备中可以添加6 000多个ZigBee节点，通过ZigBee节点管理子系统.手机客户端功能流程如图 8所示.

图8 机客户端功能流程Fig. 8 Flow Chart of the Mobile Phone

4 应用实验

4.1 实验设计

实验于2018年1 月进行，实验模式为无人托管，培养花卉为君子兰.君子兰冬季生长适宜温度是15～20 ℃，土壤湿度是40%，每天接受8 h光照.在服务器数据库中，设定冬季时间为11月至次年1月，温度为20 ℃，土壤湿度为40%，补光光照时间为17:30—18:30，光照强度为5 000 Lux.培养系统如图9所示.

图9 培养系统Fig. 9 Experimental Culture System

4.2 实验操作

手机客户端上选择1号ZigBee节点设备，设置模式为无人托管，时间为1月，植物种类为君子兰，如图10所示.实验数据与专业数据库里的预设数据较接近，如图11所示.

图10 无人托管设置界面Fig. 10 Interface of Unmanaged Setting

图11 远程数据监控界面Fig. 11 Interface of Remote Data Monitoring

5 结语

基于物联网技术的小型植物培养系统，将无线传感网络与服务器、手机客户端互联，经常远行或缺乏管理经验的人通过手机客户端，就能利用花卉品种专业数据库对不同植物在不同季节的生长状态进行远程监控.此外，由于通过ZigBee无线传感网络可以对室内(或特定场所)所有分散的植物进行统一管理，因此企业用户能在无人托管模式下实现植物智能管理的大规模部署.