蔡紹碩,夏 晉,蔡紹博

(1.武漢市金葉云景觀科技有限公司,湖北 武漢 430074;2.青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司,山東 青島 266001;3.上海法青景觀科技有限公司,上海 201699;4.中南民族大學 美術(shù)學院,湖北 武漢 430074;5.武漢建春科技有限公司,湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著人們對居住環(huán)境舒適化、安全化的要求進一步提高,建筑室內(nèi)外空間里的設(shè)備控制逐漸被要求趨向智能化、人性化。 當物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到花園生活的管理中,通過自動化系統(tǒng)實現(xiàn)智能控制取代原有手動開關(guān)的操控管理方式已經(jīng)成為智能家居市場的主流需求。

1 智能電箱實現(xiàn)花園智慧控制的功能分析

在智慧花園中,通過應(yīng)用傳感器、單片機以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),用戶通過電腦、手機和小程序配套使用智能電箱實現(xiàn)遠程控制,可以實現(xiàn)的功能主要有:路燈照明、灌溉霧化、門禁、火警、魚池凈化、驅(qū)蚊滅蚊、情景模式、語音控制等。 而這種智能化的現(xiàn)實路徑主要有3 種類型:(1)通過傳感器來實現(xiàn)自動控制;(2)通過觸摸屏和手機App 來手動控制;(3)設(shè)置智慧情景自動觸發(fā)控制。

通過傳感器來實現(xiàn)自動控制的一般有路燈照明、門禁、火警和灌溉。 使用傳感器來檢測環(huán)境參數(shù)進行感知控制,如激光傳感器來檢測花園的光照度。 當夜幕降臨,檢測到環(huán)境的光照度參數(shù)過低時,系統(tǒng)自動開啟路燈實現(xiàn)花園照明。 人體傳感器來檢測環(huán)境是否有人體進入。 當檢測到人體需要進入時,單片機通過IO口連接的繼電器來實現(xiàn)花園門的自動開啟。 煙霧傳感器來檢測花園的煙霧濃度。 當煙霧濃度達到一定數(shù)值之后,會觸發(fā)煙霧報警器和消防系統(tǒng)。 濕度傳感器來檢測花園的干濕程度。 當濕度值低于一定閾值之后,系統(tǒng)自動開啟花園的霧灌系統(tǒng)[1]。

通過觸摸屏和手機App 來手動控制的有魚池凈化和驅(qū)蚊滅蚊。 如終端節(jié)點通過IO 口連接繼電器,對魚池凈化系統(tǒng)和智能花園滅蚊系統(tǒng)的開關(guān)進行控制。 智能花園設(shè)置智慧情景自動觸發(fā)是通過Samsung Cortex-A9 處理器進行嵌入式編程,實現(xiàn)智能情景模式的預(yù)先設(shè)定,如離家模式開啟則關(guān)閉路燈和門禁等系統(tǒng),保留花園灌溉和報警等系統(tǒng),居家模式則花園的全部功能正常開啟。

2 智能電箱來實現(xiàn)花園智能控制系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計

通過智能電箱來實現(xiàn)花園智能控制,首先需要實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集,因此終端必須使用單片機作為采集節(jié)點的核心,通過傳感器來檢測環(huán)境的參數(shù)[2]。那么本系統(tǒng)的傳感器則可以搭載在采用業(yè)界標準的增強型8051 CPU 的CC2530 單片機上,因為該單片機適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器,可以實現(xiàn)更遠距離的ZigBee 無線數(shù)據(jù)傳輸,并且單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行分析,可判斷是否需要進行環(huán)境調(diào)節(jié),若需要,則本系統(tǒng)可以利用繼電器來控制電機的開關(guān)實現(xiàn)目的。 繼電器通過GPIO 口與CC2530 單片機進行連接,用來實現(xiàn)智能控制。 在這種控制中,本系統(tǒng)可選擇Samsung Cortex-A9 處理器,因為其作為一個智能網(wǎng)關(guān),通過搭載ZigBee 通信模塊,形成了ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信中的協(xié)調(diào)器,在使用Z-stack 協(xié)議棧進行通信過程中,可滿足上千個設(shè)備的多節(jié)點采集數(shù)據(jù)的要求。另外,本系統(tǒng)還可以通過搭載觸摸控制屏來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化,通過Android 開發(fā)上位機串口助手來進行操作,實現(xiàn)指令的下發(fā)。

3 智能電箱來實現(xiàn)花園智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

3.1 電箱智能控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)

整個系統(tǒng)的構(gòu)成包括3 層:智能終端、智能電箱以及用戶界面,如圖1 所示。 具備以下功能:(1)數(shù)據(jù)采集。 終端節(jié)點利用傳感器來進行數(shù)據(jù)采集,包括濕度傳感器監(jiān)測花園的濕度參數(shù),光照度傳感器來檢測花園的光照參數(shù),煙霧傳感器來檢測花園是否起火,以及人體傳感器來檢測花園是否有人進入等。 (2)自動控制。 利用傳感器采集到數(shù)據(jù)之后,通過對CC2530 單片機進行代碼的燒錄,當檢測到環(huán)境參數(shù)超過閾值或與設(shè)定的閾值不符合時會進行自動控制;如當檢測到的空氣濕度低于40%設(shè)定值的時候,系統(tǒng)會自動打開花園的霧化系統(tǒng)開關(guān),用來調(diào)節(jié)空氣濕度。 (3)數(shù)據(jù)傳輸。 采集節(jié)點與智能網(wǎng)關(guān)節(jié)之間通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)來進行無線傳輸,使用Z-Stack 協(xié)議棧,實現(xiàn)多個終端節(jié)點向網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。 (4)云平臺數(shù)據(jù)處理。智能電箱在采集到花園環(huán)境的相關(guān)參數(shù)之后,通過網(wǎng)絡(luò)通信模塊,將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到云平臺,云平臺對數(shù)據(jù)進行處理,并設(shè)置觸發(fā)指令。 (5)遠程控制。 用戶通過電腦、手機App、小程序以及公眾號來訪問云平臺,實時獲取花園環(huán)境參數(shù),并通過云平臺下發(fā)指令,實現(xiàn)遠程控制。

圖1 花園智能電箱控制系統(tǒng)

3.2 電箱智能控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

終端節(jié)點的硬件設(shè)計上使用CC2530 單片機作為采集節(jié)點的核心。 CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4,ZigBee 和RF4CE 應(yīng)用的一個片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。 一般而言,CC2530 單片機的工作電壓在2 ~3.6 V,可以通過干電池或紐扣電池實現(xiàn)電源供給,摒棄傳統(tǒng)的電源布線,讓整個系統(tǒng)更加簡潔。節(jié)點通過傳感器來監(jiān)測環(huán)境參數(shù),傳感器和電磁閥通過IO 口與單片機相連,設(shè)置觸發(fā)控制指令。 當符合自動控制條件的時候,利用電磁閥來控制開關(guān),實現(xiàn)自動控制,如監(jiān)測到土壤墑情顯示嚴重缺水時,單片機通過IO 口給電磁閥一個電壓指令,實現(xiàn)自動打開水管閥門。

智能電箱硬件設(shè)計采用Samsung Cortex-A9 處理器作為終端的核心。 微處理Hi3798CV100 芯片作為智能電箱控制系統(tǒng)的控制核心,CPU 具有四核ARM Cortex A9 和硬件JAVA 加速,具有八核高性能。 通過電源模塊對整個電箱進行設(shè)備供電;通過空開進行電路控制,防止電壓過載出現(xiàn)危險或損壞整個電路,如圖2 所示。智能電箱通過ZigBee 通信模塊獲取花園的環(huán)境參數(shù),ZigBee 通信模塊通過串口與Cortex-A9 處理器連接,通過串口通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與指令的接收。 同時,Cortex-A9 處理器搭載一個觸摸控制屏,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化操作,通過Android 開發(fā)上位機串口通信軟件,使用串口通信軟件來接收數(shù)據(jù),并且通過串口向終端節(jié)點發(fā)送AT 指令,實現(xiàn)智能電箱對花園的遠程控制。 智能電箱實現(xiàn)花園的數(shù)據(jù)監(jiān)測和遠程控制之后,利用搭載的網(wǎng)絡(luò)通信模塊,將環(huán)境參數(shù)實時發(fā)送到云端平臺,云平臺實時接收數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行處理,并設(shè)置控制觸發(fā)指令。 用戶通過電腦、手機App、小程序以及公眾號來訪問云平臺,實時獲取花園環(huán)境參數(shù),并通過云平臺下發(fā)指令,實現(xiàn)遠程控制。 智能電箱通過Samsung Cortex-A9 處理器進行嵌入式軟件開發(fā),對終端控制模塊的分類控制,實現(xiàn)在家模式和離家模式兩種不同情景的終端控制系統(tǒng),處理器再通過AI 系統(tǒng)實現(xiàn)語音智能喚醒等系列控制。

圖2 智能電箱硬件設(shè)計

用戶界面包括電腦、手機App、小程序及公眾號等載體上的控制屏端口,使用戶能夠通過網(wǎng)絡(luò)訪問云平臺看到花園環(huán)境信息。 當系統(tǒng)監(jiān)測到花園環(huán)境參數(shù)中的空氣濕度過低或花園光照度過低時,用戶可用通過控制云平臺下發(fā)指令控制繼電器的開關(guān),進行灌溉系統(tǒng)的控制以及照明燈光的開啟,遠程實現(xiàn)區(qū)別于傳統(tǒng)手動模式下的智能系統(tǒng)控制[3]。

4 花園智能控制系統(tǒng)的實驗分析

在完成該系統(tǒng)的設(shè)計于開發(fā)后,課題組對該系統(tǒng)進行了模擬環(huán)境的測試。 (1)測試濕度傳感器。 將其放到空氣濕度低于40%的實驗室環(huán)境中,繼電器可以進行供電,實現(xiàn)自動灌溉。 (2)測試光照度傳感器。 將其放到黑暗環(huán)境中,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟路燈。 (3)測試煙霧傳感器。 將其放到人工制造的煙霧環(huán)境中,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟消防設(shè)備,并且蜂鳴器能夠進行報警。 (4)測試人體傳感器。 當有人靠近時,繼電器可以進行供電,能夠自動開啟模擬大門,并且蜂鳴器能夠進行一次鳴響,提示有人進入。 經(jīng)過5 次反復測試,系統(tǒng)在終端節(jié)點測試完成,顯示效果良好,未出現(xiàn)故障。

在用戶界面控制智能電箱時,測試員通過公眾號、小程序?qū)υ破脚_進行網(wǎng)絡(luò)訪問,能夠穩(wěn)定實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù),對云平臺發(fā)送指令,完成遠程控制,進行智能電箱各模塊功能測試。 結(jié)果顯示:智能電箱的ZigBee模塊為協(xié)調(diào)器節(jié)點,終端檢測節(jié)點的ZigBee 模塊為終端節(jié)點。 在完成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建之后,協(xié)調(diào)器節(jié)點能夠接收到終端節(jié)點檢測到的環(huán)境參數(shù),終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)能夠進行通信。 對ZigBee 通信模塊與上位機串口軟件之間進行測試,上位機串口軟件能夠接收到ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點的數(shù)據(jù)。在使用上位機串口軟件對終端節(jié)點發(fā)送AT 控制指令時,終端節(jié)點的繼電器也能夠開啟,因此可判斷上位機串口通信測試成功完成。 測試員對智能電箱與云端之間進行測試時,云平臺始終能夠接收到終端的環(huán)境參數(shù)。 因此綜合判定智能電箱的實驗室測試非常成功,可進行下一步的市場運用。

在測試中,測試員發(fā)現(xiàn)電箱的流量存在續(xù)費問題。當電箱中的預(yù)存流量使用完畢后,系統(tǒng)會停止數(shù)據(jù)傳輸。 課題組提出使用電箱自帶的二維標簽碼解決流量充值問題。 當用戶賬戶余額為0 時,智能電箱自動對花園的遠程控制功能進行斷電,而保留花園的手動控制功能,防止因為余額不足而不能切斷控制造成危險及損失,用戶可通過手機端來掃描二維標簽碼來進行流量充值。

5 結(jié)語

課題組通過ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)及物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù),實現(xiàn)智能化電箱的系統(tǒng)設(shè)計和實驗室應(yīng)用,成功實現(xiàn)了智能電箱對花園的智慧控制。 在實驗中,課題組還發(fā)現(xiàn),除了常規(guī)的濕度調(diào)節(jié)、燈具開關(guān)、煙霧報警和自動開門等智能操作外,還能通過改變終端節(jié)點的檢測傳感器,對獲取的空間參數(shù)分級分層管理,實現(xiàn)更多的智能控制功能。 可見,課題組開發(fā)的該系統(tǒng)應(yīng)用范圍涵蓋性高,采用的新方法、新思路不僅可以實現(xiàn)花園的智能調(diào)節(jié)和遠程操作,還可以廣泛運用于其他業(yè)態(tài)環(huán)境,如農(nóng)業(yè)大棚、建筑公共空間的場景監(jiān)測和遠程控制。