./智能花卉養殖條件監測系統方案設計參賽學院：電子信息工程學院作者：指導教師：1.項目概述1.1項目背景隨著時代的發展,城市化腳步加快,城市人口密度越來越大,城市生活節奏快壓力大作息難成規律。城市建筑建筑面積迅速增加,而綠地面積越來越少,生活環境逐漸變差。身居城市的人們渴望一個舒適安寧,自然和諧的環境從而不同程度的著手綠化環境。家庭養植開始快速發展,對增加城市綠的面積,改善特定范圍內的人居環境有著極其重要的意義。人們對花卉的需求量越來越大,但是現今的花卉養植基本都是靠花卉主進行的人工培育,所以,養殖主要花卉大量的精力去培育花卉,如此一來就會浪費大量的人力物力和財力,造成資源浪費,也會造成花卉成本升高,也就降低了花卉主的收益以及人們的購買力。在家庭養植發展的同時物聯網技術也在迅速發展,而ZIGBEE技術也正在快速的發展和成熟,將基于ZIGBEE的物聯網技術應用到家庭養植管理是一個很好的發展方向。通過這個智能監測系統,可以準確的采集花卉生長環境的各項指標,并將所測得的花卉指標通過與標準環境進行對比,人們便可以準確及時的進行改變其生長環境到最佳生長環境狀態下。那么只需要花費少量的資源來對花卉生長環境進行修正即可還大大的提高了花卉的成活率減少損失提高效率。1.2項目的意義該系統成本低廉,使用簡單,能夠有效降低花卉的養殖成本,實時的了解花卉生長環境各項參數,養主能夠及時與標準參數做出對比,及時修正,以免造成不必要的損失。實時監測各項指標,也能夠降低人力資源的使用,不需要養殖主頻繁的親自去觀察花卉的生長情況。全套系統成本不高,卻能夠做到pc機無線采集濕度、溫度、光照強度、co2濃度和ph值信息,自動無線控制澆水、降溫、補光、調節co2濃度和ph值,并且zigbee有自組網的特性,該系統不僅可以用于大型的花棚種植中,也適合于花卉種植愛好者小規模甚至單株養植。將家庭園藝養護納入智能家居系統能夠促進智能家居和家庭園藝發展。1.3項目的功能凈化空氣,提高空氣質量室內綠化能有效地改善空氣質量,起到調節碳氧平衡、吸收有毒有害氣體、增加空氣濕度、降低室內溫度等作用。植物通過光合作用吸收co2,放出氧氣,能為室內環境制造更多的氧氣,使得室內的氧氣和二氧化碳保持平衡。一些特殊的植物還能夠在夜間吸收二氧化碳,凈化室內空氣,減少霧霾的影響,對提高睡眠質量、保護呼吸道很有益。植物通過葉片上的氣孔和枝條上的皮孔,將空氣中有毒有害氣體,如甲醛、苯、乙烯等氣體,吸入體內,積累于某一器官,或在體內代謝進行降解,達到凈化空氣的作用。植物有很好的滯塵作用,因為植物葉本比較粗糙,一些植物葉片還分泌黏性物質,或是有細毛附著,使葉片能夠吸附室內飄塵,對防治人體呼吸道疾病具有很好的效果。植物進行蒸騰作用時,不斷地將植物根部的水分向頂部葉片輸送,水分通過不同高度室內大型植物的配置,對室內環境濕度的調節效果會更適宜人類居住。蒸騰作用進行時會帶走一定熱量,在炎熱暑天能給居家帶來清涼。調節身心健康人類與植物的關系十分密切。人的五官與植物是相聯系的,植物對人身體健康很有益處。植物釋放的空氣負離子具有調節中樞神經,刺激骨髓造血功能,降低血脂,殺滅細菌,降低血液中的胺類物質,改善肺換氣功能,提高機體免疫功能,促進內分泌功能等作用。觀賞植物的過程中,綠葉、花香、果實、觸碰泥土,可以刺激視覺、嗅覺和觸覺等感官,讓人感到心情放松,緊張和不安會得到緩解。照料花木,澆水除草等園藝活動對人的心理健康也同樣很有益處,有助于培養耐心、促進心理放松、提高社交能力、增加身體機能與生理機能的作用。園藝活動對每個人都能起到一定作用,尤其是對于亞健康人群、特殊人群如殘疾人、精神病患者、智力低下者的康復效果明顯。園藝活動能讓患者從社會、教育、心理以及身體諸方面進行調整更新。對健康人而言,適當的園藝活動能夠在心理上滿足自我實現的需求,促進人們再次認識自己的存在價值,改變人生觀；培育出更好的自身行為控制能力和較好的忍耐性；培養出正確的判斷力、計劃、準備能力；促進自信的恢復。青少年學習壓力大,活動少,園藝勞作能增加青少年的運動量,鍛煉身體機能,增加青少年的活力；園藝勞作的過程中,增加青少年之間的交流,隨著植物長大、開花、結果能不斷地帶給學生正能量,幫助青少年積極的心理品質；園藝活動是一個長期而有計劃的過程,在這個過程中能培養學生耐心,啟發其對生命意義的思考。上班族生活節奏快,身心疲倦,在家中和工作室養一些植物,能舒緩壓力,陶冶情操。老年人退休后心理落差大,容易感覺失落、孤獨。園藝勞動和觀賞能作為老年人的一種社交活動,有利于老年人的生活質量,讓老年人身體更為健康,心態更為積極。所以觀賞植物生命活動,參與操作園藝活動對于營造健康舒適的人居環境十分重要。如何更好的養好植物就需要我們的作品了。2.項目方案設計2.1設計思路在對家庭園藝和物聯網進行仔細研究后,綜合考慮智能管理、節約資源等因素得出設計方案,從采集端、控制端、網關和上位機四個部分進行硬件設計和軟件設計。系統選擇cc2530模塊進行無線通信,確定系統的功能為實現對溫度、濕度、光照強度、ph值和co2濃度等參數的傳感采集,并通過各個傳感器節點采集花卉生長環境各項參數,然后通過3G/wifi將數據傳輸到數據處理單元進行分析,然后將分析整理好的數據通過網絡傳輸到pc/或者移動終端上顯示,從而使花卉主實時了解花卉生長環境是否為最適宜環境,進而修正環境參數,將參數控制在適合植物生長的范圍之內。后期設計可根據所采集的參數控制澆水開關、燈光開關、co2開關和ph劑開關。以下是系統總體結構圖：2.2Zigbee技術Zigbee技術是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復雜度、低成本、通信可靠、網絡容量大等特點的無線網絡通信技術。傳感器技術是一種可以代替、幫助人類感知外界的智能精確的技術。以上兩種技術的結合使用將使我們的系統具有低能耗、無線化、智能化的特點。網絡結構Zigbee網絡分為4層,從上到下分別為物理層〔PHL、媒體訪問控制層〔MAC、網絡層〔NWK和應用層〔APL,具體如下圖所示。Zigbee的最低兩層物理層和MAC層使用,而網絡層和應用層由Zigbee聯盟制定。每一層向它的上層提供數據服務或管理服務。Zigbee的應用層由應用支持子層〔APS、Zigbee設備對象〔ZDO和制造商定義的應用對象組成。定義物理層主要功能：1.無線發射機的激活和開啟2.當前信道上的能量檢測〔ED3.接收分組的鏈路質量指示<LQI>4.基于的空閑信道評估<CCA>5.信道頻率的選擇本系統采用的是星型網絡建構。這種結構包括一個數據處理中心單元和多個傳感器。采用分塊處理的思想來設計系統需要的節點,對節點功能進行模塊分割。終端設備負責加入網絡和中心控制器組成一個星型結構。同時要將傳感器收集到的周圍環境中的參數利用無線網絡傳遞給中心控制器。這個分布式系統的處理控制中心就是協調器,屬于全功能設備,主要功能是組建管理網絡和加入節點,通過串口將收集到的終端數據發送給PC機,同時也將終端節點的短地址等重要數據以達到實時監測的目的?；趜igbee技術的無線網絡采集系統總體設計構圖如下。2.2.2ZigBee拓撲結構ZigBee支持包含有主從設備的星形、樹簇形和對等拓撲結構。從設備在網絡中的地位來看,ZigBee網絡中的設備分為3種。第一種結構和功能最簡單,用電池供電,大部分時間處在睡眠之中,以最大程度的節約電能,延長電池壽命,它們稱為終端設備〔EndDevice。處在中間層次的是路由器,它們必須具備數據的存儲和轉發能力、路由發現能力。除了完成應用任務外,路由器還必須支持其子設備的連接、路由表維護、數據轉發等。路由器必須是FFD。在網絡結構最頂層的是ZigBee協調器。協調器總是處在工作狀態,因此必須有穩定、可靠的電源供應。它除了可以完成路由器的一些功能外,還制定網絡規則,選擇合適的信道,啟動PAN等。協調器也必須是FFD。一般來說路由器和協調器在結構上比較相似。的選擇選用ZigBee具有以下優點：〔1網絡容量大,zigbee協議規定了三種不同的網絡拓撲結構,每種結構都包含一個作為處理中心的協調器和其他不同數量的路由器或者終端設備。協調器最多可與254個路由器或著終端設備直接進行通信,而路由器又可與其他設備直接進行通行,這種模式理論上可組成具有65000個設備的網絡?！?網絡時延短。Zigbee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3～10s、WiFi需要3模塊功耗低,通訊速率低。模塊有較小的發送接收電流,支持多種睡眠模式,一個10AH的電池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通訊速度最高可達250Kbps,適合用于設備間的數據通訊,不太適合用于聲音、圖像的傳送?！?傳輸距離可擴展。舉例DIGI的XBEE增強型模塊,相鄰模塊通訊距離可達1.6Km,有效距離范圍內的模塊自動組網,網絡中的各節點可自由通訊,這樣傳輸距離得到了擴展.〔4成本低。Zigbee模塊工作于2.4G全球免費頻段,故只需要先期的模塊費用,無需支付持續使用費用.若采用豐寶代理的DIGI公司的Zigbee模塊,則可無需再次開發,通過TTL的RX,TX便可進行數據發送接收,大量減少了產品開發周期,獲得了更好的市場先機.〔5可靠性好,安全性高。Zigbee具有可靠的發送接收握手機制,可靠地保證了數據的發送接收,另Zigbee采用AES128位密鑰,保證數據發送的安全性。s。2.3智能家居系統構架智能家居系統構架是面向物聯網與虛擬現實的是一個明顯的層次結構模型,它基于無線傳感器網絡,自底向上分別是硬件物理層、操作系統、管理接口層、上下文信息管理層、以及虛擬現實表示層。硬件物理層：以無線傳感器網絡硬件節點,以及配套的、專用的傳感器為基礎,負責硬件部分以及相關功能的實現。操作系統層：多采用較為常用的TinyOS操作系統,其他便攜式設備采用微軟的WinCE系統,結合面向無線傳感器網絡的中間件軟件,實現對硬件底層的屏蔽,并將相應功能封裝好,方便上層調用和處理。管理接口層：主要包括網絡管理接口和邏輯管理接口,前者負責對無線傳感器網絡節點間的管理控制、與外部網絡的無縫連接等；后者負責協調上下層間的任務管理,一方面進一步封裝底層功能函數,另一方面為上層傳遞來的命令提供解釋后再交由底層處理。上下文信息管理層：上下文信息不僅僅包括由底層無線傳感器網絡發來的傳感器數據,還包括用戶關心的各種服務,如開關電源、遠程監控等。因此,本層的主要任務是聚合底層上傳的傳感數據、管理能夠提供的各種服務,并對其進行分類。虛擬現實表示層：利用XNA等軟件編輯,在上述各層次支撐的基礎上,實現只能家居的虛擬場景,并同時將各種上下文信息以顯示給用戶。溫度控制由于溫度的變化會對植物的光合作用等過程造成影響,為此我們采用了溫度傳感器采集相關信息。在該控制部分設計中我們要考慮到使用對象的不同對溫度要求不同,因此要預先設定參考值。在ZigBee溫度采集節點采集到信號后進行對比,超出限定值后發出報警告知控制中心,并通過路由器控制連接排氣扇、遮陽網的ZigBee節點工作,達到降溫、控溫的作用。2.3.2濕度控制濕度的變化對土壤的酸堿性,有機性發生改變,影響植物的生長。所以我們采用濕度傳感器采集相關信息。在該控制部分同溫度控制一樣,要預先設定參考值。在Zigbee濕度采集節點采集到信號后與閾值對比,超出閾值后發出警報告知控制網,并通過路由器控制噴霧、排氣扇的Zigbee節點。從而使植物保持在適應的濕度環境中。控制室內種植,難免空氣中存在CO2〔甲醛密度過大會造成一些不良的影響。所以我們的系統加入檢測CO2的傳感器,并通過ZigBee網絡與排風扇等設備配合使用。2.3.4PH控制花卉的種植存在地域性以及種類的不同,對于不同種植對象要求有不同的土壤酸堿度,這就需要我們對土壤中ph值進行監測,以便及時調整土壤的酸堿性適宜花卉的生長。光照強度控制光照可以起到殺菌、促進co2的吸收等作用,對種植對象的生長、開花等都促進作用；但光線過強、過弱也會造成水的光解不能迅速產生氧氣。為此我們采集光照強度,并通過路由器處理數據,并控制與遮陽網、補光燈相連的ZigBee節點工作。2.4系統方框圖3.系統硬件設計方案3.1系統硬件平臺選擇及介紹系統硬件平臺：Cc2530CC2530是用于2.4-GHz、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統〔SoC解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能,業界標準的增強型8051CPU,系統內可編程閃存,8-KBRAM和許多其它強大的功能。CC2530有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256,分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式,使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530結構框圖溫度測量電路的設計利用一些材料具有溫度與電阻值成反比的特性二制成熱敏電阻,這種電阻具有負溫度系數,利用這種特性實現檢測和控制溫度的目標?？墒褂盟芊庀殿惖臒崦綦娮?且價格便宜,溫度傳感器與Cc2530連接圖光照測量電路的設計光敏電阻是一款成本地的光探測的光電元器件,其原理是利用半導體電阻值與攝入光的強度有關的光電導效應。性能參數主要有光電流,暗電流,溫度系數,和額定功率等。光敏電阻在非常低的照度和瞬時光強的切換時,具有非常高的反應速度,而且還有靈敏度高,光譜特性優良等特性。在惡劣環境下仍有較高的穩定性和可靠性。光照傳感器與Cc2530連接圖3.3系統硬件工作過程描述利用物聯網技術和組態軟件實時遠程獲取花卉養殖環境的空氣溫度、濕度、光照強度、土壤水分溫度、二氧化碳濃度、葉面濕度、露點溫度等環境參數及視頻圖像,通過模型分析,及時反饋信息給養殖主以及時修正,保證花卉生長環境最適宜作物生長；同時,該系統還可以通過手機、PDA、計算機等信息終端向養殖主推送實時監測信息、預警信息等,實現集約化、網絡化遠程管理。4.系統軟件設計方案4.2系統軟件流程圖設計4.3各節點軟件流程圖設計5.系統性能指標及設計目標5.1系統性能指標使用了zigbee無線網絡,具有自組網功能,無需線纜連接。ZigBee可以支持每個網絡多達六萬多個節點,相比之下,Bluetooth只支持每個網絡8個節點,所以該系統基本能夠勝任任何規模的監測環境。本系統采用Zigbee無線網絡技術作為養植系統的環境檢測系統的數據傳輸平臺,可以實現監測點的任意放置,系統組織靈活；

本系統采用Zigbee無線網絡技術作為智能養植環境監測的解決方案,可以實現對環境中的多個物理對