基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

陶云霞 崔忠偉 朱德孫 楊江清

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)，提出了一款基于CC2530 （Zigbee）網(wǎng)絡的智能澆花系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)通過CC2530節(jié)點掛上土壤溫濕度傳感器并實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，處理后上傳CC2530網(wǎng)關，網(wǎng)關通過WiFi實時傳到手機APP；網(wǎng)關上掛OLED屏幕液晶，實時顯示土壤溫濕度值。CC2530對傳感器的信號處理，通過按鍵或手機APP設置土壤溫濕度閥值，控制水泵澆水，從而實現(xiàn)對植物的全天候監(jiān)管。經(jīng)過實驗的數(shù)據(jù)證明，該系統(tǒng)使用簡單，且反應精確靈敏等優(yōu)勢，成功地實現(xiàn)了設計要求，在實際生活工作中具有一定的應用價值。

關鍵詞：智能澆花系統(tǒng)；CC2530無線傳輸網(wǎng)絡；ZigBee無線網(wǎng)絡；土壤溫濕度傳感器；手機APP。

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）16-0174-03

1 概述

隨著社會的不斷發(fā)展和人們生活水平的逐漸提高，人們逐漸追求高質量的生活，很多人都會選擇在家里或辦公室種植一些花卉以凈化家庭空氣，陶冶情操，但是很多人忙于工作、學習、出差、旅游或者一些其他的原因，不能及時地對花卉進行照料，短時間內導致很多花卉因缺水分而影響正常生長，長時間不照料有些名貴的花卉直接死亡。基于上述狀況，提出了此基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工業(yè)級高精度土壤溫濕度傳感器采集花盆中的突然溫濕度，通過ZigBee無線網(wǎng)絡實時上傳當前的土壤溫濕度數(shù)據(jù)，通過app或者按鍵設定某種花適宜的生長的突然條件，實現(xiàn)自動控制給花澆水，即能讓花卉生長在適宜的濕度下，與目前市場上的自動澆花系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的特點具有低成本、極高的資源利用率、操作簡單和反應靈敏等。

2 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)的網(wǎng)關主要是由電源電路、ZigBee、ESP8266、USB轉UART、OLED液晶接口、按鍵電路；節(jié)點主要由電源電路、ZigBee、RS485、USB轉UART接口、按鍵、繼電器；系統(tǒng)首先通過土壤溫濕度傳感器采集花盆中土壤溫濕度數(shù)據(jù)，通過ZigBee處理之后自動控制是否澆花，并將此數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)關。

3 系統(tǒng)電路設計方案

3.1智能澆花系統(tǒng)的主芯片用TI的CC2530

系統(tǒng)主要由一個網(wǎng)關板和二個節(jié)點板。所有節(jié)點的數(shù)據(jù)都發(fā)往協(xié)調器（網(wǎng)關），由CC2530無線SOC芯片和ESP8266組成。其基本功能包括：組建了一個ZigBee的無線網(wǎng)絡，即可允許其他的監(jiān)測終端節(jié)點加入該網(wǎng)絡，并且可以對整個網(wǎng)絡進行管理，然后將匯總好的數(shù)據(jù)通過ESP8266上傳至APP的客服端。在本系統(tǒng)中，我們將給每個終端節(jié)點分配一個唯一地址，通過傳感網(wǎng)方便監(jiān)測和控制每一個終端節(jié)點，通過無線傳感網(wǎng)絡將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時上傳到處理器進行處理，并實實時處理上傳的數(shù)據(jù)判斷是否要控制是否給花卉澆水。

3.2傳感器的輸入電路

土壤溫濕度傳感器采用的是工業(yè)級RS485接口的傳感器，其主要特點為體積小、測量精度高、響應速度快、互換性好，并且它的三根不銹鋼防水防腐，長期插入土壤中不易生銹、腐爛等，延長其使用壽命。適合在花卉、大棚、農(nóng)田、草坪等需要檢測土壤溫濕度的環(huán)境中使用，并且其探頭可直接插入或者埋入土壤中。由于傳感器是RS485接口，則RS485接口原理圖，如圖1：

3.3系統(tǒng)供電電路

由于土壤溫濕度傳感器是5V供電，而CC2530、CH340T等芯片是3.3V供電，則系統(tǒng)由5V電源適配器通過DC--DC接到系統(tǒng)板為系統(tǒng)供電，土壤溫濕度傳感器和繼電器均為5V供電，直接沖適配器去電，而CC2530是3.3V供電，所以用ASM31117（LDO）降壓到3.3V，系統(tǒng)圖，如圖2：

3.4調試電路

由于CC2530上帶UART，為了方便在電腦上調試，在系統(tǒng)板上加USB轉UART；選用CH340T將USB轉為UART原理圖，如圖3：

3.5 WiFi通信電路

選用ESP8266WiFi模塊，該模塊使用了3.3V的直流電源，體積小，功耗低，支持透傳，丟包現(xiàn)象不嚴重，而且價格超低；支持AT命令修改rom，直接有AT命令設置大部分參數(shù)，同時也能將芯片設置為透傳模式，這樣ESP8266就相當于是在互聯(lián)網(wǎng)和UART之間有了通訊橋梁。WiFi原理圖，如圖4：

3.6 液晶顯示

OLED選0.96Inch3.3V供電并且與CC2530通信方式為I2C，主要用在網(wǎng)關顯示節(jié)點的傳感器檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)。

3.7 澆花控制電路

CC2530控制是否澆花主要通過繼電器去控制水泵，CC2530IO輸出高低電平，當輸出高電平時水泵澆水，低電平時停止?jié)菜韴D，如圖5：

3.8指示燈按鍵

LED燈及按鍵，LED燈主要由電源顯示燈和功能顯示燈，按鍵主要分為功能按鍵及復位按鍵，功能按鍵用來設置土壤溫濕度閾值。

3.9 ZigBee選擇星型拓撲

星型拓撲是一種簡單的拓撲形式，其有一個協(xié)調器節(jié)點和一系列的終端節(jié)點。并且其終端節(jié)點也只能和協(xié)調器節(jié)點進行通訊，而不能和終端節(jié)點相互通信。在兩個終端節(jié)點之間進行通訊，就必須要通過協(xié)調器節(jié)點來對信息進行轉發(fā)。網(wǎng)絡通信1圖，如圖6：

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括路由器和終結點程序，其中終結點主要和路由器組網(wǎng)，實現(xiàn)由傳感器數(shù)據(jù)采集、處理，上傳至路由器和控制水泵是否澆花。路由器主要實現(xiàn)收集終結點的采集的數(shù)據(jù)，處理上傳至安卓APP、和顯示到液晶顯示器上。終結點的軟件流程圖：如圖7所示；路由器的軟件流程圖：如圖8所示：

5 結論

本設計基于ZigBee無線傳感網(wǎng)實時進行數(shù)據(jù)采集、組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理等，設計思路還可以應用在大棚自動灌溉系統(tǒng)、夏天花園草坪澆水等。最后，希望這個基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)可以得到廣泛地應用，之后，將不斷升級其功能和性能，望系統(tǒng)能用到更多的領域中去，比如農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，提高農(nóng)產(chǎn)率，減少人員開銷，希望能使之成為一款能夠吸引大多數(shù)人目光的產(chǎn)品。

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