基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统设计

铁 锐 张雷艳 余 月

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214153）

0 引言

高校校园占地范围广，绿化面积大，若植物得不到专业合理的灌溉必然会枯萎，从而影响校园整体绿化效果。调研发现，大部分高校在绿化养护过程中，绿化浇灌工作主要通过人工判断实施，存在工作量大、浇灌需求判断不准确及灌溉量控制不合理等问题［1］。因此，若研究一种能够根据环境因素、智慧化运行的绿化浇灌系统，应该可以有效解决上述问题。

目前国内关于绿化浇灌项目的解决方案，基本以传感器作为采集终端，监测绿植的实时环境数据［2］，再给出相应的控制策略。不同方案的创新点主要集中在选择的无线通信技术，如WiFi，Zigbee，NB－IoT，LoRa等，或者采用不同的程序控制单元，如单片机、PLC等；研究方向主要集中在农业种植、蔬菜大棚、家居绿植等方面，对于校园绿化浇灌的研究则较少涉及。

本文针对高校校园植物数量多、种类广、种植层次繁复、不同类型植物有不同养护需求等特点，通过比较多种开发技术，选择基于蓝牙Mesh组网技术设计一种智慧化校园绿化浇灌系统，并通过实验证明，该系统能促进高校绿化养护工作降本增效，具有较大的实用价值。

1 系统架构及主要硬件设计

普通蓝牙通信，存在设备之间互相孤立、不能组网的缺点；WiFi技术由于IP地址和信道个数的限制，通常连接设备不超过100个［3］，且信号易受环境影响导致网络传输不稳定；Zigbee，NB－IoT，LoRa等技术，需要通过网关或服务器转发控制命令［4］。相较于传统通信方式，蓝牙Mesh组网技术具有组网便捷、网络容量大、网络健壮性强、网络控制方式灵活等多重优势，能最大限度满足系统设计需求。

1.1 系统总体架构设计

系统基于校园以太网组建，总体架构如图1所示，主要由终端控制单元、网络数据传输单元、服务器和客户端单元组成，移动端采用低功耗蓝牙技术（Bluetooth Low Energy，BLE）通信。

图1 系统总体架构设计图

终端控制单元采用单片机技术构建，支持蓝牙Mesh组网，用以实现环境感知、浇灌策略实施控制等功能。监控网关与终端控制单元共同组建蓝牙Mesh网络，网关负责终端控制单元与服务器之间的数据通信。客户端可以通过服务器对节点进行系统控制，也可以通过蓝牙连接，直接配网控制终端控制单元。

1.2 终端控制单元设计

设备终端控制单元主要集成了MCU、光照强度传感器、土壤湿度传感器、继电器、显示屏等元件。MCU单元选择基于32位Arm指令集的工业级SoC芯片nRF52840［5］。nRF52840自身支持蓝牙Mesh组网，可提供2组双线接口（兼容I2C）、4组SPI接口、2组UART接口、1组USB接口和48组GPIO接口，完全能够满足外部元件接入需求。土壤湿度传感器选择支持RS485接入的三探针感应设备，其水分测量精度在读数的±（ 3% ～5%） ，温度测量范围－40℃～80℃，经过转接芯片进行电平转换后连接UART接口。光照强度传感器选择BH1750，其具有低功耗、支持照度范围宽（1～65 535 lx）、测量偏差小的优点，可根据不同的场景配置采样速率，支持I2C接口通信。继电器通过GPIO接口与MCU通信，再通过380 V交流接触器，控制水泵启闭。电源系统采用小型太阳能面板供电，附加稳压器和蓄电池，使用USB接口为终端控制单元供电。终端控制单元设计如图2所示。

图2 终端控制单元设计示意图

1.3 监控网关设计

蓝牙Mesh网关作为组网控制设备，硬件选择树莓派4b与nRF52840蓝牙Mesh开发板，二者通过串口连接，共同构成服务器与终端控制单元之间完整的通信路径［6］。树莓派4b基于ARM64位处理器，提供蓝牙5.0，5G，WiFi无线通信功能以及千兆级以太网接口，支持Linux，Windows 10等多种操作系统，支持C，Python等编程语言，负责与服务器进行通信。nRF52840蓝牙Mesh开发板与终端控制单元使用相同的MCU，负责与终端控制单元进行蓝牙Mesh组网通信。蓝牙Mesh网关硬件结构如图3所示。

图3 蓝牙Mesh网关硬件结构示意图

2 系统主要功能模块构建

系统主要功能模块包括设备端和控制端两部分。设备端由终端控制单元和蓝牙Mesh网关构成，控制端主要由数据库、服务器和客户端三部分构成，其模型构建如图4所示。

图4 系统主要功能模块示意图

2.1 设备端蓝牙M esh组网设计

2.1.1 Mesh网络组网流程

浇灌现场要实现蓝牙Mesh网关与所有终端控制单元的Mesh组网，主要流程如下：①定义蓝牙Mesh网关为组网控制设备，对其信号覆盖范围内的终端控制单元进行扫描。通过UUID信息，对扫描到的设备进行过滤，将不属于本网络的设备消息直接丢弃。②网关对本网络的终端控制单元发出入网邀请，终端控制单元反馈邀请响应，并将自身的状态转化为在网。网关将终端控制单元源地址存入本地，完成设备入网。若没有扫描到终端控制单元，则重复扫描动作，多次扫描失败作出错误提示。③终端控制单元入网成功后，立刻转化为扫描状态，对自身信号范围内的设备进行扫描。重复步骤②，将符合条件的设备纳入网中，并向网关反馈新入网设备源地址。④重复步骤③，直至区域内所有符合要求的终端控制单元成功入网，完成蓝牙Mesh组网。

2.1.2 Mesh网络路由协议选择

Mesh网络通常采用“洪泛算法”来实现数据的发布和跳转，每个节点在收到消息后，如果判断目的地址不是自己，则向所有可能的网络路径进行广播，直至将消息传递到目的地址为止。“洪泛算法”的优点在于简单易实现，且网络健壮性强，但其缺点是在通信过程中会产生大量的重复分组，容易导致广播风暴或消息碰撞，过于占用网络链路资源［7］。因此，系统采用改进型洪泛模型进行网络路由，可以有效降低洪泛传播的盲目性，节省网络资源，如图5所示。算法思想：①源节点S根据目的节点D的位置计算出“D的期望区域”；②定义一个包含“D的期望区域”的矩形“请求区域”，并将“请求区域”和D的位置数据放在请求分组中［8］；③节点A，B，E等在收到请求分组时，判断自己是否处于“请求区域”中，如是，则转发分组数据，同时数据报文的TTL字段值减1，否则，丢弃分组数据。由图5可知，节点E不参与S节点和D节点之间的数据中继。

图5 改进型“洪泛算法”示意图

2.1.3 Mesh网络分组控制策略

Mesh网络中，对网内的节点设备进行有效且便利的控制是非常必要的。本文设计的系统，通过全组控制和单点控制，实现多样化的浇灌需求：①全组控制。根据绿化面积、绿植种类、养护要求等因素，对全校的绿植进行分类，将具备统一浇灌条件的绿植纳入一个组内，选择要加入新建组的设备，并为组内所有设备配置一个公共地址，通过向全组的公共地址发送控制指令，并配置数据指令的标志位，即可实现对某区域终端控制单元的控制，实现统一性的灌溉需求。②单点控制。针对特殊植物，向单独目标地址发送动作指令，进行单点控制。例如个别名贵植物，对浇灌要求特别高，可以通过手动方式，较为精准地控制浇灌时间和浇灌量，满足其个性化浇灌需求。

2.2 控制端程序模块设计

控制端程序模块主要包括系统数据库搭建、服务器程序和客户端程序。数据库系统采用MySQL数据库＋Redis数据库的存储方式。MySQL数据库用于存放网关、蓝牙Mesh设备和绑定的用户信息；Redis数据库为非关系数据库，数据保存在缓存中，便于读取和查询，在一台服务器上可以同时启动多个Redis进程，用于存放用户登录的Session信息，维持用户的登录状态。

服务器程序基于Python平台开发，用于对接终端Mesh网络和客户端控制，主要实现账户管理、设备信息管理、分组控制、数据处理、指令下发等功能，是系统后台操作核心功能区，设置其下发的控制指令优先级高于终端控制单元自身控制程序。

客户端实现用户注册与登录、扫描区域内设备、Mesh组网、添加和删除设备节点、分组控制设备节点、与服务器通信等功能［9］。

3 系统现场运行路径设计

在完成系统设备端和控制端功能整体构建后，应当结合高校校园实际情况，对系统现场运行路径进行科学合理地规划，如图6所示。

图6 系统现场运行路径设计图

系统尽量在校园人工湖泊、雨水收集装置或附近河流等天然水源位置设置取水口，避免使用市政供水作为绿化用水。使用市政供水，既不符合国家相关用水政策，也不利于植物生长。

大面积空旷绿化区域，沿着供水管道按照每5～10 m距离设置一个终端控制单元，有利于统一进行浇灌作业。终端控制单元既受服务器控制，也可以脱离TCP网络，以边缘计算的方式，独立控制浇灌作业。特殊要求的绿化区域，可以根据实际需要，将终端控制单元灵活布置在校园任意位置，但设备之间的距离不能超过蓝牙有效传输距离，否则容易导致设备脱网，数据无法跳转。

所有终端控制单元与蓝牙网关组网成功后，通过WiFi接入校园以太网，网关与服务器之间利用WebSocket协议进行长连接通信，保证信息交换的实时性。服务器程序对Mesh网络数据进行处理、存储和显示，手动或自动下发控制策略。

客户端通过PC或移动App连接服务器，对系统进行数据查看或远程操控。目前绝大多数手持移动终端都内置蓝牙芯片，所以移动App也可以不需要网关，直接与终端控制单元进行蓝牙连接。

4 系统主要控制策略

校园绿化浇灌系统主要控制浇水时间节点、浇水量和浇水频率三个参数。系统根据气候、土壤、季节等环境因素及不同植物的种类、习性等生长因素，制定专业的浇灌策略。

（1）通过客户端设置浇灌周期，在不同的时间节点下发控制策略。夏季在早晚浇水，其他季节在清晨或傍晚浇水；冬季气温较低，光线较弱，减少浇水量，早晚不宜浇水；11月土壤冻结前浇透水，3月中旬土壤解冻后应浇足返青水。

（2）按照不同植物种类进行分组控制，设定各组的浇水量。以校园绿化最常见的草坪为例，在春夏生长季节，每次的灌溉量以湿润土层100～150 mm为宜，炎热的干旱季每周还需要补水约50 mm，冬季则监测到土壤干燥才浇水，且保持土壤轻微湿润即可。

（3）按照不同植物习性进行分组控制，设定各组浇水频率。喜湿的植物，每隔2～3天浇一次水；喜旱的植物则每隔3～5天浇一次水；中生植物要“见干见湿”，土壤干燥就浇透。

（4）系统还要结合天气预报信息，自主制定阶段性的浇灌策略。既定策略在实施前，程序对当前时间节点的前后3～7天的天气信息进行综合分析，满足条件，才能启动系统实施浇灌。

5 实验结果分析

在校园绿化区域中选取不同种类植物，以2023年无锡市3～6月天气数据为参数，分析系统能否按照预期的策略实施浇灌。3月13日往前多日无雨，预计3天后才有中雨，草坪需浇返青水，判断启动浇灌1次，浇灌量100 mm。4月14日前后5天内少雨，但是木本花卉需水量较少，判断不启动浇灌。5月12日往前5天雨量不足，预计4天后大雨，而5月刚好处于蕨类植物的生长期，需保持湿润，判断启动2次，但浇灌量较少。6月20日前3天雨量充足，多浆类植物本身需水量小，判断不启动。实验数据如表1所示。

表1 系统运行采样分析表

系统多次实验结果的正确率统计如表2所示，系统根据当期实际环境自主判断的正确率平均为91%。由实验数据可知，基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统基本能够按照预期目标实施浇灌，系统功能满足设计需求。

表2 系统运行正确率统计表

6 结论

通过结合物联网技术、单片机技术和互联网通信协议，设计了一套基于蓝牙Mesh技术，能够实现远程管控、自主判断的校园绿化浇灌系统。系统构建方式简单，后期维护便捷，能有效克服传统人工浇灌模式的弊端。将设计的系统在某高校进行试用，实验效果良好。该校目前有绿化面积31万m2，通过使用该系统，绿化养护人员从34人下降到29人，每年节约绿化用水约15 000 m3，既有效地降低了人力成本，又实现了节约水资源的目标。