周躍佳，潘啟明

(1.哈爾濱劍橋?qū)W院， 哈爾濱 150069；2.東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150040)

近年來，隨著生活條件的改善，人們更加渴望置身于舒適、自然、健康的生活和工作環(huán)境中，室內(nèi)綠化裝飾作為新興的產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，對增加城市綠地面積、改善人居環(huán)境、減輕工作壓力等方面都有著積極重要的意義。綠色盆栽植物由于具有提高空氣質(zhì)量、調(diào)節(jié)生理健康及舒緩情緒的作用，深受人們喜愛，成為室內(nèi)綠化裝飾的首選。綠色盆栽植物的生長需要及時(shí)澆灌補(bǔ)水，很多人因長期外出無法進(jìn)行澆灌而煩惱。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee技術(shù)作為智能家居主要的控制系統(tǒng)解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)盆栽植物土壤濕度的采集及智能澆灌控制，可以有效地解決無人照料情況下盆栽植物的供水問題，為現(xiàn)代化家居提供了更全面的智能應(yīng)用[1-4]。同時(shí)，針對不同種類植物、不同大小植物需不同供水量的智能控制問題，成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本設(shè)計(jì)提出了簡單易行的澆灌閾值信息采集方法，以更加實(shí)用且低成本的軟件控制方法解決了這一難題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速局速率、低成本，極大地減少了系統(tǒng)布線工作，多跳的自組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使其更具備了靈活的組網(wǎng)形式，在智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛。

組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一般由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、若干個(gè)路由器和若干終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)設(shè)備，用于啟動(dòng)并設(shè)置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)；路由器的功能包括允許其他設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中，多跳路由以及協(xié)助用電池供電的終端設(shè)備與父節(jié)點(diǎn)或與其他終端設(shè)備相互通信等；終端設(shè)備主要是信息采集和執(zhí)行單元，僅在向父節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)才被激活，若用兩節(jié)5號干電池供電，可維持6～24個(gè)月的工作，這也正是ZigBee被廣泛應(yīng)用的優(yōu)勢所在。

ZigBee協(xié)議中所定義物理設(shè)備類型有兩種，全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。FFD擁有完整的協(xié)議功能，支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能和任何設(shè)備通信，可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)；RFD通常只用于星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，只能與FFD通信，兩個(gè)RFD間不能通信，不能完成協(xié)調(diào)器工作，一般作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，也利于節(jié)能。

在本系統(tǒng)中，由于主要應(yīng)用于室內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍一般100 m左右，僅需一個(gè)協(xié)調(diào)器(FFD設(shè)備)即可。在每一個(gè)花盆中設(shè)置一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)用于土壤濕度采集和澆灌電磁閥驅(qū)動(dòng)，由于各終端節(jié)點(diǎn)僅需和協(xié)調(diào)器通信，互相之間不需通信，選用RFD設(shè)備即可。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)需要，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以CC2430為控制核心，主要包括兩個(gè)組成部分，一個(gè)協(xié)調(diào)器及若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器模塊主要包括主控芯片、LCD顯示電路、按鍵電路、存儲(chǔ)器、PCB天線、串行通信接口、電源電路、時(shí)鐘電路；終端節(jié)點(diǎn)模塊主要包括主控芯片、LED指示燈、PCB天線、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、濕度檢測電路、電源電路、時(shí)鐘電路[5]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的主控芯片均采用ZigBee 專用芯片TI 的CC2430，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能、豐富的片上資源以及簡單易實(shí)現(xiàn)的信號收發(fā)功能，配以少量的外圍硬件即可滿足設(shè)計(jì)要求。濕度檢測電路中傳感器選用STH-01壤濕度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測有多孔介質(zhì)特性的土壤的含水率，測量精度為±3%[6]。由于STH-01輸出為4～20 m A電流信號，需要通過電流-電壓轉(zhuǎn)化電路將電流信號轉(zhuǎn)為 0～5 V電壓信號，不同的電壓信號幅值再經(jīng)CC2430進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，即可確定相應(yīng)的土壤含水率。用戶可通過協(xié)調(diào)器上的按鍵及LCD顯示對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，完成土壤濕度以及相應(yīng)供水量的閾值信息采集工作。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)通過對土壤含水率的監(jiān)測以及控制電磁閥驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)澆灌的開啟或關(guān)閉；協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織管理、信息的分析判斷以及控制指令的生成和傳輸。終端節(jié)點(diǎn)處的LED指示燈在電磁閥開啟時(shí)亮，關(guān)閉時(shí)滅，用以指示澆灌作業(yè)工作狀態(tài)。協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間信號的接收與發(fā)送均由PCB天線實(shí)現(xiàn)。串行通信接口用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信和調(diào)試。

3 軟件設(shè)計(jì)

在室內(nèi)盆花自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，不同種類植物、不同大小的植物正常生長所需的土壤濕度均不同，需澆灌時(shí)的土壤濕度值判斷以及供水量計(jì)算是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難題[7,8]。若采用現(xiàn)代控制理論中復(fù)雜的算法實(shí)現(xiàn)，必然會(huì)使系統(tǒng)更復(fù)雜且成本高，同時(shí)需要建立各種植物不同生長階段所需的土壤濕度的數(shù)據(jù)庫，更難實(shí)現(xiàn)。綜合考察人們?nèi)粘Ｉ钪袑κ覂?nèi)盆栽植物的養(yǎng)護(hù)，澆灌所需水量是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的。本系統(tǒng)采用了澆灌閾值信息采集法，用戶通過按鍵選擇及設(shè)置，對需澆灌的花盆節(jié)點(diǎn)進(jìn)行土壤濕度采集，此數(shù)據(jù)作為判斷土壤濕度的下限閾值；再通過按鍵選擇、設(shè)置驅(qū)動(dòng)電磁閥開啟進(jìn)行澆灌，達(dá)到所需水量是控制電磁閥關(guān)閉，同時(shí)對電磁閥從開啟到關(guān)閉的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，此數(shù)據(jù)作為電磁閥控制的閾值，也即將供水量轉(zhuǎn)化為時(shí)間量。設(shè)定好閾值后，系統(tǒng)根據(jù)存儲(chǔ)的閾值數(shù)據(jù)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，從而省去了復(fù)雜的控制算法。根據(jù)植物生長緩慢的特點(diǎn)，此閾值數(shù)據(jù)一經(jīng)設(shè)定，可適用數(shù)月。

系統(tǒng)運(yùn)行的軟件流程如圖3所示。開機(jī)后，協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化, 將網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，各設(shè)備在協(xié)調(diào)器的作用下自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)。協(xié)調(diào)器若有按鍵輸入，則進(jìn)入閾值信息采集子程序；若無按鍵，則進(jìn)行系統(tǒng)輪詢，對濕度低于閾值的節(jié)點(diǎn)送開啟電磁閥命令進(jìn)行澆灌。由于一般植物澆灌頻率為幾天一次，時(shí)間間隔較長，土壤濕度無需始終采集，無按鍵中斷響應(yīng)的情況下，系統(tǒng)可設(shè)定為整點(diǎn)監(jiān)控(每隔60 min監(jiān)控一次)，終端節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)處于休眠狀態(tài), 有數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)才被激活，可以最大限度地降低功耗，延長使用壽命。

圖3 基于ZigBee的室內(nèi)盆花自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)軟件流程

4 結(jié) 語

本文所設(shè)計(jì)的室內(nèi)盆花自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由協(xié)調(diào)器和若干終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了分布式的土壤濕度信息采集與澆灌控制，其靈活的自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使終端 節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可隨花盆數(shù)量的變化而增減。本文提出的澆灌閾值信息采集方法，可提供不同種類植物不同生長期的需水量數(shù)據(jù)，避開了復(fù)雜的控制算法，簡單易實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)代化的智能家居應(yīng)用中，還可以利用ZigBee技術(shù)將盆栽植物養(yǎng)護(hù)信息傳輸至計(jì)算機(jī)或智能終端，使長期在外出差、旅游的人們無需為家中盆栽植物煩惱。同時(shí)，本系統(tǒng)也更加適用于辦公樓內(nèi)盆花自動(dòng)澆灌，創(chuàng)造出更加健康、舒適、便捷的生活環(huán)境。

[1] 楊 婷. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.

[2] 張雙德,蔣家和. 基于ZigBee的花卉澆水控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,(11):2 657-2 660.

[3] 章軍富. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)[D].北京：北京林業(yè)大學(xué),2010.

[4] 江 挺,胡培金,趙燕東. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 節(jié)水灌溉,2011,(2):58-61.

[5] 黃向驥. 基于CC2430的無線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué),2010.

[6] 李 勇. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué),2011.

[7] 李 玲. 基于數(shù)據(jù)挖掘的盆栽智能澆灌系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].山東青島：青島理工大學(xué),2013.

[8] 王 軍,程增艷,朱秀林. 基于ZigBee的滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012,(1):3-4.