一种基于物联网的家庭园艺智能养护系统

曹丽平，杨 鹏，徐新宇，杨金锋，赖齐贤*，陈丽妮

（1.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江临安 311300；2.湘潭大学，湖南湘潭 411105；3.杭州市农业教育培训中心，浙江杭州 310017）

一种基于物联网的家庭园艺智能养护系统

曹丽平1，杨 鹏2，徐新宇2，杨金锋1，赖齐贤1*，陈丽妮3

（1.浙江农林大学农业与食品科学学院，浙江临安 311300；2.湘潭大学，湖南湘潭 411105；3.杭州市农业教育培训中心，浙江杭州 310017）

为了将物联网技术应用到家庭园艺养护中，使其变得更为简便和智能化，故对家庭园艺智能养护系统进行硬件设计和软件设计，并制作出一套样品。系统主要包括采集器、网关、上位机界面及控制器，采用nRF24L01无线网络可实现对家庭绿化区域的远程实时监控和智能养护管理。根据采集的温度、土壤湿度、光照强度做出决算，无线控制浇水、补光、喷雾，调节植物生长的小环境。

家庭园艺；自动控制系统；物联网；nRF24L01

家庭园艺是指在居室内、阳台、屋顶、露台或庭院等空间范围内从事园艺植物栽培和装饰的活动。家庭园艺植物能够起到调节湿度、净化空气等作用［1］，还能给人心理上积极的暗示［2-4］，家庭园艺逐渐成为潮流，同样也意味着人们生活态度的转变。时代在进步，植物的养护技术也在不断更新［5-7］。在物联网蓬勃发展时期［8-10］，将物联网技术应用到植物养护上可解决很多植物爱好者的困扰。家庭园艺智能养护系统采用无线通讯技术，便于安装和控制，适于家庭使用。

1 系统构架

家庭园艺智能养护系统主要功能包括自动采集环境信息，自动控制浇水、喷雾、补光等。自动养护系统主要分为采集器、控制器、网关、上位机和无线通讯网络5个部分（图1）。采集器采集的信息通过网关传递给上位机，上位机做出决定，再通过网关向控制器传递命令，控制器负责执行命令。在系统中，采集器相当于神经末梢，负责感受“刺激”，并向上位机传递感知信息；上位机是整个系统的大脑，负责接收信号、做出决算和发出命令；无线通讯网络相当于神经，为信息的传递提供渠道，贯穿于整个系统中；网关是枢纽，能够进行信息的接收和转换，连接上位机和其他端口；而控制器相当于肌肉组织，用于实现系统的命令，做出实际操作。

图1 养护系统的结构

2 采集器

2.1 采集器硬件设计

采集器采集的信息主要包括光强、土壤湿度和温度，采用光敏传感电阻、温度传感器和土壤湿度传感器来实现信息的采集。采集端传感器的选择，决定着采集模块的实现方式，影响着电路和程序的复杂程度，也会在运行中影响到系统的整体性能。光敏传感器选用5516光敏电阻，为高阻小功率器件。温度传感器选用TNC75，为数字温度传感器，带有用户可编程寄存器，TNC75测量范围为-50～125℃，精度为±1.5℃。土壤湿度传感器选用模拟土壤湿度传感器yl-69。采集端电路设计主要包括供电模块、无线通信模块、湿度采集模块、光强采集模块、温度采集模块和数据处理模块的设计。设计出的电路图在工厂做出样板，并焊接元器件，在STC-ISP平台上对其进行nRF24L01信号收发测试，结果证实采集端电路设计的可行性。采集器样板及采集器实物见图2。

图2 采集器（A）电路板图（B）的实物

2.2 采集器软件设计

采集器采用型号为IAP15F2K61S2的单片机芯片，采用keilC51和STC-ISP进行程序设计。采集器软件设计主要包括无线通讯协议的设定以及信号的转化。土壤湿度传感器和光敏传感器的输出都为模拟信号，在进行数据处理之前必须将模拟信号转化为数字信号才能进行发送。

系统采用nRF24L01无线网络，在100 m内节点间能进行有效通信［11-13］，采集器是无线网络中的一个节点。通过单片机的SPI接口可以选择功率频道以及对采集器进行通信协议的设定。通信协议主要包括识别温度、光强、湿度采集命令的格式，以及在向上发送温度、光照、湿度数据时的数据包格式。系统中设定了6个字节的命令格式和数据包格式，第1个字节标示数据长度，第2个字节用于识别命令类别，第3个字节用于识别地址，第4和第5个字节用于区别命令的内容和信息，第6个字节是结束标志（表1）。

3 控制器

3.1 控制器硬件设计

考虑到家居环境中水电通道分布的不确定性，系统中采用了4个独立的控制器，兼可通过无线网络统一控制，包括浇水、喷雾、补光、景观灯控制器。4个控制器具有相同的电路和硬件，通过不同的程序设计就能轻松地识别控制器的功能达到准确控制的目的。控制器的电路设计主要包括nRF24L01无线收发模块、供电模块、继电器模块等几个方面。在设计好电路图的基础上送入工厂做出样板，焊接电子元器件，并进行了测试（图3）。3.2 控制器软件设计

表1 采集器的通信协议

图3 控制器（A）电路板图（B）的实物

4个控制器硬件是相同的，软件设计能够划分控制器的种类和区域。控制器有4种，分别是浇水控制器、喷雾控制器、补光控制器和景观灯控制器，在本系统的无线通信协议中，每个控制器带有1个唯一的地址，即可实现1个主机控制多个绿化场所。例如，1个家庭在阳台、屋顶都有绿化面积，就可用2个具有不同地址的控制器来控制浇水，上位机可区分控制器所在区域。控制器的通信协议，接受命令有开、关、读状态、取反4种，分别用4种不同的6字节长度数据包格式，控制器向上位机主要是发送状态（表2）。

表2 控制器的通信协议

4 网关及上位机界面

4.1 网关

本系统中网关的主要作用是接收无线信号并对其进行转化，通过USB接口将信号传入上位机，同样也能将上位机需要发出的命令转化为无线信号发出，是系统的枢纽。

4.2 上位机界面

系统中的控制面板选用LabVIEW进行开发，采用LabVIEW做出来的家庭园艺智能养护系统界面犹如一个仪器，使得整个系统功能均可通过界面来完成。LabVIEW是1种图形编辑语言［14］，每个程序都有2个基本窗口:前面板（front Panel）窗口和流程图（block diagram）窗口。同样本系统的上位机界面也有2个窗口，用户操作可以通过前面板进行（图4），前面板操作起来非常简单，用户无须懂得通信技术和通信协议就能完成系统所有操作，用户可通过电脑上界面查看采集器和控制器的状态，了解绿化区域的实时环境参数，对灯关、灌溉、喷雾等开关进行手动控制。而流程图窗口实际上是程序员用图形语言编写LabVIEW程序（称为VI程序）源代码的窗口（图5），用户无须了解。

图4 上位机的前界面

图5 上位机的程序框架

5 系统特性

物联网家庭园艺养护控制系统是家庭园艺养护技术和通信技术、传感技术的集成，一个便捷的控制系统既能实现家庭绿化的智能管理，优化室内环境，又方便融入智能家居管理系统的整体，使家庭生活更便捷舒适。

5.1 自动化程度高

本系统具有较高的自动化程度，能够实现全自动化管理。用户只需通过上位机界面设定环境参数，采样周期、设备地址等参数就能自动管理。系统自动采集参数，自动将参数向网关和上位机传送，上位机自行判断后自动发送控制命令，将环境参数控制在适合家庭园艺植物生长的范围内。

5.2 集成度高

系统集成度高体现在采集参数的多样和控制端多样方面。采集端集成3个传感器，即土壤湿度传感器、温度传感器和光敏传感器，且能进行数据处理和发送。采集端的采集参数很全面，从而能为养护管理提供更好更全面的依据。控制端集成了浇水控制、喷雾控制、补光控制和景观灯控制4个方面，突破了单一的浇水控制，为养护家庭园艺植物提供更好的生长环境。

5.3 布局灵活

养护系统采用无线通讯方式，网关、采集端、控制端是分离的，从合理利用资源角度出发，适合采取不同的供电方法。网关与PC机相接，可直接采用USB接口供电，采集端采用调制器将220 V交流电调制成12 V直流电供电；控制器利用220 V交流电，在外围电路的调制下转化为5 V直流电为各控制模块供电。系统采用无线通讯，布局灵活度高，能免去布线的麻烦，且不受空间限制，即不论用户家庭空间的大小，植物分布的远近，均可灵活布置采集器和控制器，且添置和删减都很方便，可灵活选择采集参数及控制器的种类。例如在庭院等光照和雨水较充足的地方，可删去补光控制和放宽浇水控制。

5.4 可扩展性强

通过对端口进行地址设置，理论上系统最多可独立养护256处绿化场所，对其进行统一自动管理。例如，一栋公寓里有6层，每层10户人家，整栋公寓可用1个养护系统进行统一自动管理，给60户人家各分配1个地址，在管理中心可独立自动控制每户人家的园艺养护，通过地址可查询每户人家的养护状态。

总的来说，应用最新的无线传感网络技术，系统能实现预期设计的功能，达到预期设计的自动化程度。但系统只是初步实现，有更多细节和功能有待进一步完善和开发。

［1］ 顾平道，汪琳琳，胡亚娟，等.阳台绿化对室内温湿度的影响［J］.建筑节能，2011（11）:51-53.

［2］ Donna W，Thalia M M.The benefits of gardening for older adults:a systematic review of the literature［J］.Activities，AdaPtation&Aging，2013，37（2）:153-181.

［3］ 李树华，张文秀.园艺疗法科学研究进展［J］.中国园林，2009（8）:19-23.

［4］ 吴志雄，邱鸿钟.园艺疗法在培养大学生积极心理品质中的作用［J］.保健医学研究与实践，2013（1）:94-96.

［5］ 杨婷，汪小旵.基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设计［J］.节水灌溉，2010（2）:10-12，16.

［6］ 曹成茂，夏萍，朱张青.无线数据传输在节水灌溉自动控制中的应用［J］.农业工程学报，2005，21（4）: 127-130.

［7］ 曹继忠.基于无线传感器网络的园林自动节水灌溉系统［J］.ComPuter Knowledge and Technology，2012，8（5）: 1168-1170，1175.

［8］ 董颢霞，亚超.浅谈物联网技术在智能家居中的应用［J］.河北建筑工程学院学报，2013（1）:100-102.

［9］ 曲鹏超，陈超，张秀娟.基于物联网的家庭照明系统研制［J］.电脑知识与技术，2012（1）:186-188.

［10］ 金家红，方旭，杨碧峰，等.家庭物联网技术在智能家居系统的应用［J］.现代电子技术，2013（10）:56-58.

［11］ 荚庆，王代华，张志杰.基于nRF24L01的无线数据传输系统［J］.现代电子技术，2008（7）:68-70，82.

［12］ 付聪，付慧生，李益青.基于nRF24L01的无线温度采集控制系统的设计［J］.工矿自动化，2010（1）:73-75.

［13］ 杨江，高红亮，梅扬.基于nRF24L01智能环境监测系统设计［J］.自动化技术与应用，2014（2）:116-120.

［14］ 戚艳艳.基于Labview的水肥耦合灌溉控制系统的研究［D］.武汉:华中农业大学，2011.

（责任编辑：张瑞麟）

F 062.9

A

0528-9017（2015）03-0433-04

10.16178/j.issn.0528-9017.20150346

2014-12-04

浙江省自然科学基金（LY13C150005）；浙江省新苗人才计划（2013R412053）

曹丽平（1989-），女，湖南益阳人，家庭园艺方向硕士研究生。E-mail:cao.bellis@gmail.com。

赖齐贤（1965-），教授，博士。E-mail:laiqixian@zafu.edu.cn。

文献著录格式:曹丽平，杨鹏，徐新宇，等.一种基于物联网的家庭园艺智能养护系统［J］.浙江农业科学，2015，56（3）:433-436.