智能电箱物联控制的花园智慧系统设计与应用

蔡绍硕,夏 晋,蔡绍博

(1.武汉市金叶云景观科技有限公司,湖北 武汉 430074;2.青岛海纹智慧农业科技有限公司,山东 青岛 266001;3.上海法青景观科技有限公司,上海 201699;4.中南民族大学 美术学院,湖北 武汉 430074;5.武汉建春科技有限公司,湖北 武汉 430074)

0 引言

随着人们对居住环境舒适化、安全化的要求进一步提高,建筑室内外空间里的设备控制逐渐被要求趋向智能化、人性化。 当物联网技术应用到花园生活的管理中,通过自动化系统实现智能控制取代原有手动开关的操控管理方式已经成为智能家居市场的主流需求。

1 智能电箱实现花园智慧控制的功能分析

在智慧花园中,通过应用传感器、单片机以及无线传感网络等物联网技术,用户通过电脑、手机和小程序配套使用智能电箱实现远程控制,可以实现的功能主要有:路灯照明、灌溉雾化、门禁、火警、鱼池净化、驱蚊灭蚊、情景模式、语音控制等。 而这种智能化的现实路径主要有3 种类型:(1)通过传感器来实现自动控制;(2)通过触摸屏和手机App 来手动控制;(3)设置智慧情景自动触发控制。

通过传感器来实现自动控制的一般有路灯照明、门禁、火警和灌溉。 使用传感器来检测环境参数进行感知控制,如激光传感器来检测花园的光照度。 当夜幕降临,检测到环境的光照度参数过低时,系统自动开启路灯实现花园照明。 人体传感器来检测环境是否有人体进入。 当检测到人体需要进入时,单片机通过IO口连接的继电器来实现花园门的自动开启。 烟雾传感器来检测花园的烟雾浓度。 当烟雾浓度达到一定数值之后,会触发烟雾报警器和消防系统。 湿度传感器来检测花园的干湿程度。 当湿度值低于一定阈值之后,系统自动开启花园的雾灌系统[1]。

通过触摸屏和手机App 来手动控制的有鱼池净化和驱蚊灭蚊。 如终端节点通过IO 口连接继电器,对鱼池净化系统和智能花园灭蚊系统的开关进行控制。 智能花园设置智慧情景自动触发是通过Samsung Cortex-A9 处理器进行嵌入式编程,实现智能情景模式的预先设定,如离家模式开启则关闭路灯和门禁等系统,保留花园灌溉和报警等系统,居家模式则花园的全部功能正常开启。

2 智能电箱来实现花园智能控制系统的技术设计

通过智能电箱来实现花园智能控制,首先需要实现环境参数的数据采集,因此终端必须使用单片机作为采集节点的核心,通过传感器来检测环境的参数[2]。那么本系统的传感器则可以搭载在采用业界标准的增强型8051 CPU 的CC2530 单片机上,因为该单片机适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器,可以实现更远距离的ZigBee 无线数据传输,并且单片机对采集到的数据进行分析,可判断是否需要进行环境调节,若需要,则本系统可以利用继电器来控制电机的开关实现目的。 继电器通过GPIO 口与CC2530 单片机进行连接,用来实现智能控制。 在这种控制中,本系统可选择Samsung Cortex-A9 处理器,因为其作为一个智能网关,通过搭载ZigBee 通信模块,形成了ZigBee 无线传感网络通信中的协调器,在使用Z-stack 协议栈进行通信过程中,可满足上千个设备的多节点采集数据的要求。另外,本系统还可以通过搭载触摸控制屏来实现数据的可视化,通过Android 开发上位机串口助手来进行操作,实现指令的下发。

3 智能电箱来实现花园智能控制系统的总体设计

3.1 电箱智能控制系统的基本架构

整个系统的构成包括3 层:智能终端、智能电箱以及用户界面,如图1 所示。 具备以下功能:(1)数据采集。 终端节点利用传感器来进行数据采集,包括湿度传感器监测花园的湿度参数,光照度传感器来检测花园的光照参数,烟雾传感器来检测花园是否起火,以及人体传感器来检测花园是否有人进入等。 (2)自动控制。 利用传感器采集到数据之后,通过对CC2530 单片机进行代码的烧录,当检测到环境参数超过阈值或与设定的阈值不符合时会进行自动控制;如当检测到的空气湿度低于40%设定值的时候,系统会自动打开花园的雾化系统开关,用来调节空气湿度。 (3)数据传输。 采集节点与智能网关节之间通过ZigBee 无线网络来进行无线传输,使用Z-Stack 协议栈,实现多个终端节点向网关节点的数据传输。 (4)云平台数据处理。智能电箱在采集到花园环境的相关参数之后,通过网络通信模块,将数据实时发送到云平台,云平台对数据进行处理,并设置触发指令。 (5)远程控制。 用户通过电脑、手机App、小程序以及公众号来访问云平台,实时获取花园环境参数,并通过云平台下发指令,实现远程控制。

图1 花园智能电箱控制系统

3.2 电箱智能控制系统的功能实现

终端节点的硬件设计上使用CC2530 单片机作为采集节点的核心。 CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4,ZigBee 和RF4CE 应用的一个片上系统(SoC)解决方案。 一般而言,CC2530 单片机的工作电压在2 ~3.6 V,可以通过干电池或纽扣电池实现电源供给,摒弃传统的电源布线,让整个系统更加简洁。节点通过传感器来监测环境参数,传感器和电磁阀通过IO 口与单片机相连,设置触发控制指令。 当符合自动控制条件的时候,利用电磁阀来控制开关,实现自动控制,如监测到土壤墒情显示严重缺水时,单片机通过IO 口给电磁阀一个电压指令,实现自动打开水管阀门。

智能电箱硬件设计采用Samsung Cortex-A9 处理器作为终端的核心。 微处理Hi3798CV100 芯片作为智能电箱控制系统的控制核心,CPU 具有四核ARM Cortex A9 和硬件JAVA 加速,具有八核高性能。 通过电源模块对整个电箱进行设备供电;通过空开进行电路控制,防止电压过载出现危险或损坏整个电路,如图2 所示。智能电箱通过ZigBee 通信模块获取花园的环境参数,ZigBee 通信模块通过串口与Cortex-A9 处理器连接,通过串口通信实现数据传输与指令的接收。 同时,Cortex-A9 处理器搭载一个触摸控制屏,实现数据的可视化操作,通过Android 开发上位机串口通信软件,使用串口通信软件来接收数据,并且通过串口向终端节点发送AT 指令,实现智能电箱对花园的远程控制。 智能电箱实现花园的数据监测和远程控制之后,利用搭载的网络通信模块,将环境参数实时发送到云端平台,云平台实时接收数据,对数据进行处理,并设置控制触发指令。 用户通过电脑、手机App、小程序以及公众号来访问云平台,实时获取花园环境参数,并通过云平台下发指令,实现远程控制。 智能电箱通过Samsung Cortex-A9 处理器进行嵌入式软件开发,对终端控制模块的分类控制,实现在家模式和离家模式两种不同情景的终端控制系统,处理器再通过AI 系统实现语音智能唤醒等系列控制。

图2 智能电箱硬件设计

用户界面包括电脑、手机App、小程序及公众号等载体上的控制屏端口,使用户能够通过网络访问云平台看到花园环境信息。 当系统监测到花园环境参数中的空气湿度过低或花园光照度过低时,用户可用通过控制云平台下发指令控制继电器的开关,进行灌溉系统的控制以及照明灯光的开启,远程实现区别于传统手动模式下的智能系统控制[3]。

4 花园智能控制系统的实验分析

在完成该系统的设计于开发后,课题组对该系统进行了模拟环境的测试。 (1)测试湿度传感器。 将其放到空气湿度低于40%的实验室环境中,继电器可以进行供电,实现自动灌溉。 (2)测试光照度传感器。 将其放到黑暗环境中,继电器可以进行供电,能够自动开启路灯。 (3)测试烟雾传感器。 将其放到人工制造的烟雾环境中,继电器可以进行供电,能够自动开启消防设备,并且蜂鸣器能够进行报警。 (4)测试人体传感器。 当有人靠近时,继电器可以进行供电,能够自动开启模拟大门,并且蜂鸣器能够进行一次鸣响,提示有人进入。 经过5 次反复测试,系统在终端节点测试完成,显示效果良好,未出现故障。

在用户界面控制智能电箱时,测试员通过公众号、小程序对云平台进行网络访问,能够稳定实时监测环境参数,对云平台发送指令,完成远程控制,进行智能电箱各模块功能测试。 结果显示:智能电箱的ZigBee模块为协调器节点,终端检测节点的ZigBee 模块为终端节点。 在完成ZigBee 网络的构建之后,协调器节点能够接收到终端节点检测到的环境参数,终端节点与协调器节点之间的ZigBee 网络能够进行通信。 对ZigBee 通信模块与上位机串口软件之间进行测试,上位机串口软件能够接收到ZigBee 协调器节点的数据。在使用上位机串口软件对终端节点发送AT 控制指令时,终端节点的继电器也能够开启,因此可判断上位机串口通信测试成功完成。 测试员对智能电箱与云端之间进行测试时,云平台始终能够接收到终端的环境参数。 因此综合判定智能电箱的实验室测试非常成功,可进行下一步的市场运用。

在测试中,测试员发现电箱的流量存在续费问题。当电箱中的预存流量使用完毕后,系统会停止数据传输。 课题组提出使用电箱自带的二维标签码解决流量充值问题。 当用户账户余额为0 时,智能电箱自动对花园的远程控制功能进行断电,而保留花园的手动控制功能,防止因为余额不足而不能切断控制造成危险及损失,用户可通过手机端来扫描二维标签码来进行流量充值。

5 结语

课题组通过ZigBee 无线传感网络及物联网嵌入式技术,实现智能化电箱的系统设计和实验室应用,成功实现了智能电箱对花园的智慧控制。 在实验中,课题组还发现,除了常规的湿度调节、灯具开关、烟雾报警和自动开门等智能操作外,还能通过改变终端节点的检测传感器,对获取的空间参数分级分层管理,实现更多的智能控制功能。 可见,课题组开发的该系统应用范围涵盖性高,采用的新方法、新思路不仅可以实现花园的智能调节和远程操作,还可以广泛运用于其他业态环境,如农业大棚、建筑公共空间的场景监测和远程控制。