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1、智能花卉养殖条件监测系统方案设计参赛学院：电子信息工程学院作 者： 指导教师：1.项目概述1.1项目背景随着时代的发展，城市化脚步加快，城市人口密度越来越大，城市生活节奏快压力大作息难成规律。城市建筑建筑面积迅速增加，而绿地面积越来越少，生活环境逐渐变差。身居城市的人们渴望一个舒适安宁，自然和谐的环境从而不同程度的着手绿化环境。家庭养植开始快速发展，对增加城市绿的面积，改善特定范围内的人居环境有着极其重要的意义。人们对花卉的需求量越来越大，但是现今的花卉养植基本都是靠花卉主进行的人工培育，所以，养殖主要花卉大量的精力去培育花卉，如此一来就会浪费大量的人力物力和财力，造成资源浪费，也会造成花卉成
2、本升高，也就降低了花卉主的收益以及人们的购买力。在家庭养植发展的同时物联网技术也在迅速发展，而ZIGBEE技术也正在快速的发展和成熟，将基于ZIGBEE的物联网技术应用到家庭养植管理是一个很好的发展方向。通过这个智能监测系统，可以准确的采集花卉生长环境的各项指标，并将所测得的花卉指标通过与标准环境进行对比，人们便可以准确及时的进行改变其生长环境到最佳生长环境状态下。那么只需要花费少量的资源来对花卉生长环境进行修正即可还大大的提高了花卉的成活率减少损失提高效率。 1.2项目的意义 该系统成本低廉，使用简单，能够有效降低花卉的养殖成本，实时的了解花卉生长环境各项参数，养主能够及时与标准参数做出对比
3、，及时修正，以免造成不必要的损失。实时监测各项指标，也能够降低人力资源的使用，不需要养殖主频繁的亲自去观察花卉的生长情况。全套系统成本不高，却能够做到pc机无线采集湿度、温度、光照强度、co2浓度和ph值信息，自动无线控制浇水、降温、补光、调节co2浓度和ph值，并且zigbee有自组网的特性，该系统不仅可以用于大型的花棚种植中，也适合于花卉种植爱好者小规模甚至单株养植。将家庭园艺养护纳入智能家居系统能够促进智能家居和家庭园艺发展。1.3项目的功能1.3.1净化空气，提高空气质量 室内绿化能有效地改善空气质量，起到调节碳氧平衡、吸收有毒有害气体、增加空气湿度、降低室内温度等作用。植物通过光合作
4、用吸收co2，放出氧气，能为室内环境制造更多的氧气，使得室内的氧气和二氧化碳保持平衡。一些特殊的植物还能够在夜间吸收二氧化碳，净化室内空气，减少雾霾的影响，对提高睡眠质量、保护呼吸道很有益。植物通过叶片上的气孔和枝条上的皮孔，将空气中有毒有害气体，如甲醛、苯、乙烯等气体，吸入体内，积累于某一器官，或在体内代谢进行降解，达到净化空气的作用。植物有很好的滞尘作用，因为植物叶本比较粗糙，一些植物叶片还分泌黏性物质，或是有细毛附着，使叶片能够吸附室内飘尘，对防治人体呼吸道疾病具有很好的效果。植物进行蒸腾作用时，不断地将植物根部的水分向顶部叶片输送，水分通过不同高度室内大型植物的配置，对室内环境湿度的调
5、节效果会更适宜人类居住。蒸腾作用进行时会带走一定热量，在炎热暑天能给居家带来清凉。1.3.2调节身心健康 人类与植物的关系十分密切。人的五官与植物是相联系的，植物对人身体健康很有益处。植物释放的空气负离子具有调节中枢神经，刺激骨髓造血功能，降低血脂，杀灭细菌，降低血液中的胺类物质，改善肺换气功能，提高机体免疫功能，促进内分泌功能等作用。观赏植物的过程中，绿叶、花香、果实、触碰泥土，可以刺激视觉、嗅觉和触觉等感官，让人感到心情放松，紧张和不安会得到缓解。照料花木，浇水除草等园艺活动对人的心理健康也同样很有益处，有助于培养耐心、促进心理放松、提高社交能力、增加身体机能与生理机能的作用。园艺活动对每
6、个人都能起到一定作用，尤其是对于亚健康人群、特殊人群如残疾人、精神病患者、智力低下者的康复效果明显。园艺活动能让患者从社会、教育、心理以及身体诸方面进行调整更新。对健康人而言，适当的园艺活动能够在心理上满足自我实现的需求，促进人们再次认识自己的存在价值，改变人生观；培育出更好的自身行为控制能力和较好的忍耐性；培养出正确的判断力、计划、准备能力；促进自信的恢复。青少年学习压力大，活动少，园艺劳作能增加青少年的运动量，锻炼身体机能，增加青少年的活力；园艺劳作的过程中，增加青少年之间的交流，随着植物长大、开花、结果能不断地带给学生正能量，帮助青少年积极的心理品质；园艺活动是一个长期而有计划的过程，在
7、这个过程中能培养学生耐心，启发其对生命意义的思考。上班族生活节奏快，身心疲倦，在家中和工作室养一些植物，能舒缓压力，陶冶情操。老年人退休后心理落差大，容易感觉失落、孤独。园艺劳动和观赏能作为老年人的一种社交活动，有利于老年人的生活质量，让老年人身体更为健康，心态更为积极。所以观赏植物生命活动，参与操作园艺活动对于营造健康舒适的人居环境十分重要。如何更好的养好植物就需要我们的作品了。2.项目方案设计 2.1设计思路在对家庭园艺和物联网进行仔细研究后，综合考虑智能管理、节约资源等因素得出设计方案，从采集端、控制端、网关和上位机四个部分进行硬件设计和软件设计。系统选择cc2530模块进行无线通信，确
8、定系统的功能为实现对温度、湿度、光照强度、ph值和co2浓度等参数的传感采集，并通过各个传感器节点采集花卉生长环境各项参数，然后通过3G/wifi将数据传输到数据处理单元进行分析，然后将分析整理好的数据通过网络传输到pc/或者移动终端上显示，从而使花卉主实时了解花卉生长环境是否为最适宜环境，进而修正环境参数，将参数控制在适合植物生长的范围之内。后期设计可根据所采集的参数控制浇水开关、灯光开关、co2开关和ph剂开关。以下是系统总体结构图：2.2 Zigbee技术 Zigbee技术是一种具有低速率、近距离、低功耗、低复杂度、低成本、通信可靠、网络容量大等特点的无线网络通信技术。传感器技术是一种可
9、以代替、帮助人类感知外界的智能精确的技术。以上两种技术的结合使用将使我们的系统具有低能耗、无线化、智能化的特点。2.2.1网络结构 Zigbee网络分为 4 层，从上到下分别为物理层 （PHL）、媒体访问控制层 （MAC）、网络层 （NWK） 和应用层 （APL），具体如下图所示。Zigbee的最低两层物理层和 MAC 层使用 IEEE802.15.4，而网络层和应用层由 Zigbee联盟制定。每一层向它的上层提供数据服务或管理服务。Zigbee的应用层由应用支持子层 （APS）、Zigbee设备对象（ZDO） 和制造商定义的应用对象组成。 IEEE802.15.4定义物理层主要功能：1.无线
10、发射机的激活和开启2.当前信道上的能量检测（ED）3.接收分组的链路质量指示(LQI)4.基于的空闲信道评估(CCA)5.信道频率的选择本系统采用的是星型网络建构。这种结构包括一个数据处理中心单元和多个传感器。采用分块处理的思想来设计系统需要的节点，对节点功能进行模块分割。终端设备负责加入网络和中心控制器组成一个星型结构。同时要将传感器收集到的周围环境中的参数利用无线网络传递给中心控制器。这个分布式系统的处理控制中心就是协调器，属于全功能设备，主要功能是组建管理网络和加入节点，通过串口将收集到的终端数据发送给PC机，同时也将终端节点的短地址等重要数据以达到实时监测的目的。基于zigbee技术的
11、无线网络采集系统总体设计构图如下。2.2.2Z ig Bee拓扑结构Zig Be e 支持包含有主从设备的星形、树簇形和对等拓扑结构。从设备在网络中的地位来看，Zig Bee 网络中的设备分为 3 种。第一种结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处在睡眠之中，以最大程度的节约电能，延长电池寿命，它们称为终端设备 （End Device）。处在中间层次的是路由器，它们必须具备数据的存储和转发能力、路由发现能力。除了完成应用任务外，路由器还必须支持其子设备的连接、路由表维护、数据转发等。路由器必须是 FFD。在网络结构最顶层的是Zig Be e 协调器。协调器总是处在工作状态，因此必须有稳定、可
12、靠的电源供应。它除了可以完成路由器的一些功能外，还制定网络规则，选择合适的信道，启动 PAN 等。协调器也必须是 FFD。一般来说路由器和协调器在结构上比较相似。2.2.3ZigBee的选择选用ZigBee 具有以下优点： （1）网络容量大，zigbee协议规定了三种不同的网络拓扑结构，每种结构都包含一个作为处理中心的协调器和其他不同数量的路由器或者终端设备。协调器最多可与254个路由器或着终端设备直接进行通信，而路由器又可与其他设备直接进行通行，这种模式理论上可组成具有65000个设备的网络。 （2） 网络时延短。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网
13、络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310s、WiFi需要3模块功耗低,通讯速率低。模块有较小的发送接收电流,支持多种睡眠模式,一个10AH的电池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通讯速度最高可达250Kbps,适合用于设备间的数据通讯，不太适合用于声音、图像的传送。（3）传输距离可扩展。举例DIGI的XBEE增强型模块，相邻模块通讯距离可达1.6Km,有效距离范围内的模块自动组网,网络中的各节点可自由通讯,这样传输距离得到了扩展.（4）成本低。Zigbee模块工作于2.4G全球免费频段,故只需要先期的模块费用,无需支付持续使用费用.若采用丰宝代理的DIGI公司的Zi
14、gbee模块,则可无需再次开发,通过TTL的RX,TX便可进行数据发送接收,大量减少了产品开发周期,获得了更好的市场先机.（5）可靠性好,安全性高。Zigbee具有可靠的发送接收握手机制,可靠地保证了数据的发送接收,另Zigbee采用AES128位密钥,保证数据发送的安全性。s。2.3智能家居系统构架 智能家居系统构架是面向物联网与虚拟现实的是一个明显的层次结构模型，它基于无线传感器网络，自底向上分别是硬件物理层、操作系统、管理接口层、上下文信息管理层、以及虚拟现实表示层。 硬件物理层：以无线传感器网络硬件节点，以及配套的、专用的传感器为基础，负责硬件部分以及相关功能的实现。 操作系统层：多采
15、用较为常用的TinyOS操作系统，其他便携式设备采用微软的WinCE系统，结合面向无线传感器网络的中间件软件，实现对硬件底层的屏蔽，并将相应功能封装好，方便上层调用和处理。管理接口层：主要包括网络管理接口和逻辑管理接口，前者负责对无线传感器网络节点间的管理控制、与外部网络的无缝连接等；后者负责协调上下层间的任务管理，一方面进一步封装底层功能函数，另一方面为上层传递来的命令提供解释后再交由底层处理。上下文信息管理层：上下文信息不仅仅包括由底层无线传感器网络发来的传感器数据，还包括用户关心的各种服务，如开关电源、远程监控等。因此，本层的主要任务是聚合底层上传的传感数据、管理能够提供的各种服务，并对其进行分类。虚拟现实表示层：利用XNA等软件编辑，在上述各层次支撑的基础上，实现只能家居的虚拟场景，并同时将各种上下文信息以显示给用户。2.3.1温度控制 由于温度的变化会对植物的光合作用等过程造成影响，为此我们采用了温度传感器采集相关信息。在该控制部分设计中我们要考虑到使用对象的不同对温度要求不同，因此要预先设定参考值。在Zig Bee 温度采集节点采集到信号后进行对比，超出限定值后发出报警告知控制中心，并通过路由器控制连接排气扇、遮阳网的 Zig Bee节
