智慧花房的设计研究

马越洋　张惠　张志琪　郭相龙　吕俊龙

摘要：近年来，国民越来越注重生活水平和质量，纷纷尝试着在室内居住环境和办公环境中摆放绿植以达到休息放松和美化环境的目的。但由于生活工作节奏的日趋加快，人们由于缺乏时间、经验等原因很难对花卉绿植进行很好的养护。因此，利用当下热门的物联网技术在全新家居生活理念的基礎上，设计智慧花房来满足人们对品质生活的需求很有必要。文章首先讲述了研究背景，再阐明了智慧花房整体的设计思路，重点介绍了系统怎样实现对花房进行智能控制以及对花房中的温湿度等参数进行实时反馈和数据的处理以及传送，以达到对花房中的植物进行智能化、科学化的管理，满足人们“云养花”的愿望。

关键词：智能;绿色生活;传感器网络;Zigbee无线通信技术;阿里云服务技术;Android移动通信技术

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0237-03

Abstract： In recent years， citizens have paid more and more attention to the standard of living and quality， and have tried to place green plants in the indoor living environment and office environment to achieve the purpose of rest and relaxation and beautification of the environment. However， due to the accelerating pace of life and work， it is difficult for people to maintain good flowers and green plants due to lack of time and experience. Therefore， it is necessary to design smart gardens to meet people's demand for quality life based on the new home life concept using the current popular Internet of Things technology. The article firstly describes the research background， and then clarifies the overall design ideas of the smart flower house， focusing on how the system realizes the intelligent control of the flower house and the real-time feedback and data processing and transmission of the temperature and humidity parameters in the flower house to achieve the plants in the flower house are managed intelligently and scientifically to satisfy people's desire to "grow flowers in the Cloud Culture ".

Key words： intelligence; green life; sensor network; Zigbee wireless communication technology; Alibaba cloud service technology; Android mobile communication technology

随着科技的进步以及生活水平的改善，将现下热门技术与人民实际生活需要相融合更是大势所趋。目前许多公司例如小米等也纷纷将市场中心转移到家居方面。将当下大热的科学技术与其他领域跨界融合，有望为技术升级与市场扩张上获得持续助力。

对于家居植物的种植来说，目前市场上存在的产品主要有智能花盆、温室花房两种。但在实际应用中，智能花盆功能较为单一，智能化程度低，操作复杂。而现有的家居花房，其搭建不仅成本高昂，而且存在着布线困难、工程量大、实时性差等问题。本文针对上述问题，通过对物联网相关技术、通信协议、通信方式以及植物种植相关的传感器、系统常见的控制方式等进行研究分析，提出了智慧花房植物养护系统。

1 系统总体方案设计

本系统由无线传感器数据采集平台、网关平台以及远程监控中心三部分组成。在养花区域利用温湿度传感器、光照传感器以及CO2气敏传感器等传感器以及摄像头实时采集花房内的数据，并将数据通过无线传感网络等上传至Crox-A8智能网关，网关将数据发送至阿里云服务器，最后应用程序直接通过阿里云服务器获取数据，并将数据展示到用户界面上。数据在网关进行汇总分析，通过与程序预设值进行比对，从而控制相关设备自动调节环境参数;用户还可通过手机等设备了解花房环境以及植物的生长状况，增加其使用感和参与感。

2 系统软件流程

设计方式硬件层代码程序开发软件为IAR，各传感器的驱动程序以及相关灌溉等设备的控制程序、网关的预设值比对程序用C语言编写，软件采用模块化结构程序;终端显示使用安卓嵌入WEB的方式进行数据显示，界面使用软件Webstorm以及Eclipse通过WEB程序编写。

3 系统硬件设计

系统根据实际的功能需求及控制设备将系统分为四个小系统：喷灌系统、温控系统、光控系统、空气监测系统。每个系统都由一个CC2530协调器、一个stm32、一个显示屏及若干传感器组成。四个小系统又通过Zigbee无线传感网络将数据发送至CC2530协调器上面，协调器将数据通过串口发送至Crotex-A8智能网关，网关又将数据发送至阿里云服务器，最后Android应用程序直接通过阿里云服务器获取数据，并将数据展示到界面上。同时，CC2530将采集到的传感器数据通过串口发送至底板的stm32上，stm32将数据展示到屏幕上。用户可通过手机终端查看花房内的环境数据，还可以自己调节或利用智能网关的预设程序自动对相应的设备进行控制。同时在整个系统中还可通过USB在智能网关上连接摄像头对花房内的环境进行监测，方便用户进行远程监控。

3.1 温湿度传感器模块

温湿度传感器是传感器其中的一种，多以温湿度一体式的探头作为测温元件，将温度和湿度信号采集出来，按一定的规律变换成电信号或其他所需信号形式输出，让用户可以直观看到温湿度信息。在温湿度传感器模块中，采用SHT10传感器用于采集周围环境中的温度和湿度，其工作电压为2.4～5.5V，测湿精度为±4.5%RH，25℃时测温精度为±0.5℃。采用SMD贴片封装传感器SHT10可以采集温度数据和湿度数据，并且将模拟量转换为可读的数字量输出，所以用户只需按照它提供的接口将温湿度数据读取出来即可。

3.2 光照度采集传感器模块

光照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏作为探测器。因其具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，所以适用于各种场所，尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。根据不同的测量场所，配合不同的量程，安装使用方便、抗干扰能力强，更是让其受到大众的青睐。

3.3 CO2气敏传感器模块

二氧化碳传感器是用于检测二氧化碳浓度的机器。其用一个广谱的光源作为红外传感器的光源，光线穿过光路中的被测气体，透过窄带滤波片，到达红外探测器。其工作原理是基于不同气体分子的近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系（朗伯-比尔Lambert-Beer定律）鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。

本系统采用了MIX6010二氧化碳传感器是利用非色散红外NDIR原理对空气中二氧化碳浓度进行监测，具有很好的选择性和无氧气依赖性，并且内置温度补偿。该传感器同时具备模拟输出，串口输出，PWM等多种输出接口，可以单独校准，很方便的与用户进行产品的对接。MIX6010是一款紧凑型的智能小型二氧化碳传感器，将成熟的红外吸收气体检测技术与精密光路设计和精良电路设计紧密结合起来制作的高性能传感器。

3.4 Zigbee处理器模块

物联网中的传感器在布局的时候，一般采用的都是传统CDMA或GSM移動网络，但随之而来的或有运营费用高、规模大、短距离传输需求高等问题，因此，本系统采用Zigbee自组网。因其具有智能、方便、易建设、低成本、低功耗和免费使用等特点，比较适合作为物联网中传感网的通信方式。并且Zigbee也已经广泛应用于数字家庭、智能交通、农业自动化等领域，技术也已经比较成熟。

系统Zigbee网络节点采用TI公司的CC2530芯片。C2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。其四种不同的闪存版CC2530F32/64/128/256，分别具有 32/64/128/256KB 的闪存。因其具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，并且其运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

3.5 Crotex-A8网关处理器模块

总体结构中，本系统采用了ARM Crotex-A8控制板作为核心部分，负责控制网关的数据通信和信息、数据等的处理。Cortex-A8其处理器的速率在600MHz到超过1GHz的范围内的这一特性，能够满足那些工作在300mW以下的功耗优化的移动设备和2000 Dhrystone MIPS的性能优化的消费类应用的需求。因此，本系统采用ARM Crotex-A8作为网关处理部分，能够保证花房内数据的及时传输以及花房内相关设备的及时控制。

4 结论

本系统设计的方案，利用当下热门的物联网技术与家居生活跨界融合，不仅适用于管理盆栽较少的环境，也能管理盆栽较多的场合，操作简单，智能化程度较高，减少了人们对盆栽花卉的日常管理，能够让早出晚归的上班族轻轻松松养殖自己喜爱的植物，并且不需要每天亲自浇水施肥，在花房里就能够进行一系列自动化操作，还可以感知何时需要浇水施肥，并自动完成所感知到的任务，让现在繁忙生活的人们体会到“云养花”的快乐。同时本系统对花卉盆栽的智慧照顾，减少了水资源、电力资源等的浪费，实现了资源的优化利用和科学性使用，符合可持续发展战略的要求。

参考文献：

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[3] 杨守建，李宏.一种简易的花房温湿度无线自动监控系统[J].黑龙江农业科学，2011（8）：121-124.

[4] 赵媛，杜坚，芦澍.基于ZigBee的温室花房环境监测系统设计[J].现代电子技术，2011，34（11）：37-39.

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