基于传感网络的家居植物智能浇灌系统

王光耀 袁凌云

摘要：随着生活品质的提升，家居盆栽越来越多，但繁忙的工作使得人们不能适时浇灌家中的盆栽，造成植物死亡率增高的现象。因此本系统基于传感网络、WiFi及云平台等技术，构建家居植物智能浇灌系统。传感器节点搭载温度、湿度、光照及土壤湿度传感器，传感网络通过WiFi技术上传实时数据到中央控制器，通过中央控制器对其环境进行判断，从而实现对植物适时的浇灌，同时，中央控制器可将实时数据上传至OneNET云平台，用户可通过云平台远程查看植物生长情况。该系统有效降低了家居植物缺水死亡概率，使种植家居植物变得更容易，也为智能家居的精细化发展提供参考。

关键词：传感网络;WiFi;智能浇灌;OneNET

中图分类号：G434        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）26-0075-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1引言

为适应用户即节约时间又能享受绿植带来的优质空气的需求，智能浇灌逐步进入人们的视野，目前市场上绝大多数智能灌溉产品本质上是定时器或流量控制计。较为常见的有时控型和湿控型两种，时控型通过设置浇灌间隔时间，对植物进行定时定量的浇灌，湿控型是通过监测土壤湿度，当湿度低于设定的阈值时对植物进行浇灌。但这两种浇灌类型参考的环境参数较为单一，未综合考虑环境因素对植物进行适时的浇灌。近年来，我国众多学者对基于传感网络的智能浇灌系统进行了研究，主要用于蔬菜大棚的整体控制和智能浇灌，针对家居植物智能浇灌系统的研究较少且考虑较为片面[1-3]。

本系统综合考虑影响植物浇灌的实时环境因素，对家居植物智能浇灌系统进行设计，通过无线数据传输技术实现传感节点与中央控制器的数据传输，借助远程访问传感网络数据的相关技术，将数据上传OneNET云平台，以供用户远程实时查看。

2系统设计

2.1系统总体设计

本家居植物智能浇灌系统的系统架构如图1所示，由中央控制器、传感节点、WiFi通信模块及云平台组成，其中，传感节点包括一个以ESP8266为主控芯片的NodeMCU模块、一个DHT11温湿度传感器、一个GY30光照传感器、一个土壤湿度传感器和一个水泵五部分，中央控制器采用树莓派3 Model B，云平台采用OneNET开放云平台。本系统考虑到家庭面积以及绿植面积，暂采用三个传感节点，在实际运用中可根据实际情况增加传感节点。传感节点通过WiFi与中央控制器相连，并通过TCP/IP协议将实时数据上传中央控制器。中央控制器对各个传感节点的数据进行处理，返回处理结果，并将实时环境数据上传OneNET云平台，用户可远程登录云平台查看数据。

2.2硬件模块设计

2.2.1中央控制器

在本系統中传感节点的实时数据需通过中央控制器接入互联网，上传OneNET云平台，因此中央控制器需具有良好的可扩展性与高效率的运行性。基于此，本文选择树莓派3 Model B作为中央控制器，其采用ARM1176JZ微处理器，具有Wireless LAN功能并带有一个以太网口，可满足设计需求。

2.2.2传感节点设计

本设计选用NodeMCU作为传感节点的核心，其基于WiFi芯片ESP8266，带有WiFi通信模块，NodeMCU具有足够的电源、公共端及数据引脚可供接收各个传感器数据使用，并且具有低功耗的优点。

通过将GY30光照传感器的SDA、SCL接口分别接到NodeMCU的D1、D2引脚，获取光照强度数据。将DHT11温湿度传感器的DATA接口接到NodeMCU的D5引脚，通过固件函数读取传感器的温湿度数据。将土壤湿度传感器的D0接口接到NodeMCU的D6引脚，通过读取该数据引脚的电平值可知当前土壤湿度与阈值的关系。

由于水泵不含数据引脚，采用A1015三极管控制水泵开关，将三极管的基极接到NodeMCU的D3引脚。由于NodeMCU的引脚数量不足，所以将温湿度传感器及土壤湿度传感器的电源均接到同一引脚上。传感节点电路图如图2所示。

2.3程序设计

2.3.1程序总体设计

本系统以硬件为基础，结合软件编写实现系统功能。中央控制器开启WiFi，设置为AP模式，提供无线接入服务，同时开启TCP Server服务，传感节点通过WiFi连接到中央控制器并建立TCP连接。连接成功后，传感节点向中央控制器上传实时数据，中央控制器接收并处理后向传感节点回复处理结果，并将收到的实时数据上传OneNET云平台。节点根据返回的信息判断是否浇灌。

2.3.2传感节点程序设计

NodeMCU为传感节点核心，通过WiFi连接传感节点与中央控制器，从中央控制器获取IP地址。各传感节点通过不同端口号与中央控制器创建TCP连接。连接成功后，传感节点通过TCP/IP协议每隔十秒钟向中央控制器发送数据。

温湿度与光照数据通过函数转换为十进制数值。由于NodeMCU和所选土壤湿度传感器不能将数据转换为十进制数据，因此通过传感器上的电位器进行调节。当湿度低于阈值，传感节点接收到高电平;当湿度高于阈值，传感节点接收到低电平，其中阈值通过实际环境测试得出。

当中央控制器返回值为1时则对植物浇水。为兼容并适应各种情况，本系统设置每次浇水时间为两秒。传感节点程序流程图如图3所示。

2.3.3中央控制器程序设计

中央控制器通过绑定本机IP地址与不同端口，开启TCP Server服务，接收各传感节点数据。设置气温阈值为30℃，空气湿度为80%，光照强度为25000lx。对比实时环境数据与阈值，若数据均满足浇水条件，则中央控制器向传感节点发送数据“1”;若数据不满足浇水条件，发送数据“0”。

程序使用HTTP协议，通过绑定OneNET云平台中用户唯一的设备APIkey和设备API地址，实现数据上传。中央控制器程序流程图如图4所示。

3系统测试

3.1适时环境测试

将一个节点置于无阳光直射、土壤较为干燥的环境，模拟传感节点的浇灌情况。通过OneNET云平台查看实时环境数据，当各项参数均满足浇灌条件，浇灌系统浇灌植物，浇灌完成后土壤湿度数据由1变为0。适时环境条件下各参数曲线图如图5-图8所示。

3.2.2非适时环境测试

太阳直射的正午浇水，植物会产生吐水现象。为进行非适时环境测试，将传感节点放到正午太阳直射且土壤湿度较低的环境中，通过测试在此环境中浇灌系统不会浇灌植物。通過OneNET云平台可发现此时光照强度大于25000lx，高于设定的阈值，其余环境数据均满足浇灌条件，土壤湿度均为1，表示浇灌系统并未浇灌盆栽，说明该系统在太阳直射的情况下不会对植物进行浇灌。非适时条件下各参数曲线图如图9-图12所示。

4 结束语

本文基于传感网络设计了家居植物智能浇灌系统，以树莓派3 Model B为中央控制器，以NodeMCU模块为传感节点的核心，应用WiFi、TCP等技术，综合考虑影响植物浇灌的环境参数，结合当下热门的OneNET云平台，实现了在智能浇灌的同时远程查看环境数据及其变化情况，系统操作灵活、显示直观。但也依然存在一些问题，在传感器精度和系统的稳定性等方面还有待加强，在以后的研究中将进一步完善。

参考文献：

[1] 王志明.一种大棚蔬菜智能浇灌装置[P].中国专利：CN206564963U，2017-10-20.

[2] 陈晨.一种智能浇灌花盆架[P].中国专利：CN206433511U，2017-08-25.

[3] 刘海龙.基于物联网关联的光照监控与节水灌溉系统设计[J].现代电子技术，2016，39（20）：149-153.

[4] Sandeep Pirbhulal， Heye Zhang. A Novel Secure IoT-Based Smart Home Automation System Using a Wireless Sensor Network[J]. Sensors， 2017， 17（1）：69.

【通联编辑：王力】