智能花卉養(yǎng)植項目實施計劃書

./智能花卉養(yǎng)殖條件監(jiān)測系統(tǒng)方案設(shè)計參賽學(xué)院：電子信息工程學(xué)院作者：指導(dǎo)教師：1.項目概述1.1項目背景隨著時代的發(fā)展,城市化腳步加快,城市人口密度越來越大,城市生活節(jié)奏快壓力大作息難成規(guī)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(huán)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(huán)境從而不同程度的著手綠化環(huán)境。家庭養(yǎng)植開始快速發(fā)展,對增加城市綠的面積,改善特定范圍內(nèi)的人居環(huán)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(xiàn)今的花卉養(yǎng)植基本都是靠花卉主進行的人工培育,所以,養(yǎng)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(yǎng)植發(fā)展的同時物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在迅速發(fā)展,而ZIGBEE技術(shù)也正在快速的發(fā)展和成熟,將基于ZIGBEE的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家庭養(yǎng)植管理是一個很好的發(fā)展方向。通過這個智能監(jiān)測系統(tǒng),可以準確的采集花卉生長環(huán)境的各項指標,并將所測得的花卉指標通過與標準環(huán)境進行對比,人們便可以準確及時的進行改變其生長環(huán)境到最佳生長環(huán)境狀態(tài)下。那么只需要花費少量的資源來對花卉生長環(huán)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(tǒng)成本低廉,使用簡單,能夠有效降低花卉的養(yǎng)殖成本,實時的了解花卉生長環(huán)境各項參數(shù),養(yǎng)主能夠及時與標準參數(shù)做出對比,及時修正,以免造成不必要的損失。實時監(jiān)測各項指標,也能夠降低人力資源的使用,不需要養(yǎng)殖主頻繁的親自去觀察花卉的生長情況。全套系統(tǒng)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(diào)節(jié)co2濃度和ph值,并且zigbee有自組網(wǎng)的特性,該系統(tǒng)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(guī)模甚至單株養(yǎng)植。將家庭園藝養(yǎng)護納入智能家居系統(tǒng)能夠促進智能家居和家庭園藝發(fā)展。1.3項目的功能凈化空氣,提高空氣質(zhì)量室內(nèi)綠化能有效地改善空氣質(zhì)量,起到調(diào)節(jié)碳氧平衡、吸收有毒有害氣體、增加空氣濕度、降低室內(nèi)溫度等作用。植物通過光合作用吸收co2,放出氧氣,能為室內(nèi)環(huán)境制造更多的氧氣,使得室內(nèi)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(nèi)空氣,減少霧霾的影響,對提高睡眠質(zhì)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(nèi),積累于某一器官,或在體內(nèi)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(zhì),或是有細毛附著,使葉片能夠吸附室內(nèi)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(nèi)大型植物的配置,對室內(nèi)環(huán)境濕度的調(diào)節(jié)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?guī)砬鍥?。調(diào)節(jié)身心健康人類與植物的關(guān)系十分密切。人的五官與植物是相聯(lián)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(diào)節(jié)中樞神經(jīng),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(zhì),改善肺換氣功能,提高機體免疫功能,促進內(nèi)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(yǎng)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(fù)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(diào)整更新。對健康人而言,適當?shù)膱@藝活動能夠在心理上滿足自我實現(xiàn)的需求,促進人們再次認識自己的存在價值,改變?nèi)松^；培育出更好的自身行為控制能力和較好的忍耐性；培養(yǎng)出正確的判斷力、計劃、準備能力；促進自信的恢復(fù)。青少年學(xué)習(xí)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(jié)果能不斷地帶給學(xué)生正能量,幫助青少年積極的心理品質(zhì)；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(yǎng)學(xué)生耐心,啟發(fā)其對生命意義的思考。上班族生活節(jié)奏快,身心疲倦,在家中和工作室養(yǎng)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(zhì)量,讓老年人身體更為健康,心態(tài)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(huán)境十分重要。如何更好的養(yǎng)好植物就需要我們的作品了。2.項目方案設(shè)計2.1設(shè)計思路在對家庭園藝和物聯(lián)網(wǎng)進行仔細研究后,綜合考慮智能管理、節(jié)約資源等因素得出設(shè)計方案,從采集端、控制端、網(wǎng)關(guān)和上位機四個部分進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。系統(tǒng)選擇cc2530模塊進行無線通信,確定系統(tǒng)的功能為實現(xiàn)對溫度、濕度、光照強度、ph值和co2濃度等參數(shù)的傳感采集,并通過各個傳感器節(jié)點采集花卉生長環(huán)境各項參數(shù),然后通過3G/wifi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元進行分析,然后將分析整理好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絧c/或者移動終端上顯示,從而使花卉主實時了解花卉生長環(huán)境是否為最適宜環(huán)境,進而修正環(huán)境參數(shù),將參數(shù)控制在適合植物生長的范圍之內(nèi)。后期設(shè)計可根據(jù)所采集的參數(shù)控制澆水開關(guān)、燈光開關(guān)、co2開關(guān)和ph劑開關(guān)。以下是系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖：2.2Zigbee技術(shù)Zigbee技術(shù)是一種具有低速率、近距離、低功耗、低復(fù)雜度、低成本、通信可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。傳感器技術(shù)是一種可以代替、幫助人類感知外界的智能精確的技術(shù)。以上兩種技術(shù)的結(jié)合使用將使我們的系統(tǒng)具有低能耗、無線化、智能化的特點。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Zigbee網(wǎng)絡(luò)分為4層,從上到下分別為物理層〔PHL、媒體訪問控制層〔MAC、網(wǎng)絡(luò)層〔NWK和應(yīng)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(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由Zigbee聯(lián)盟制定。每一層向它的上層提供數(shù)據(jù)服務(wù)或管理服務(wù)。Zigbee的應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層〔APS、Zigbee設(shè)備對象〔ZDO和制造商定義的應(yīng)用對象組成。定義物理層主要功能：1.無線發(fā)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(zhì)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(tǒng)采用的是星型網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括一個數(shù)據(jù)處理中心單元和多個傳感器。采用分塊處理的思想來設(shè)計系統(tǒng)需要的節(jié)點,對節(jié)點功能進行模塊分割。終端設(shè)備負責(zé)加入網(wǎng)絡(luò)和中心控制器組成一個星型結(jié)構(gòu)。同時要將傳感器收集到的周圍環(huán)境中的參數(shù)利用無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給中心控制器。這個分布式系統(tǒng)的處理控制中心就是協(xié)調(diào)器,屬于全功能設(shè)備,主要功能是組建管理網(wǎng)絡(luò)和加入節(jié)點,通過串口將收集到的終端數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機,同時也將終端節(jié)點的短地址等重要數(shù)據(jù)以達到實時監(jiān)測的目的?；趜igbee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)總體設(shè)計構(gòu)圖如下。2.2.2ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee支持包含有主從設(shè)備的星形、樹簇形和對等拓撲結(jié)構(gòu)。從設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的地位來看,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為3種。第一種結(jié)構(gòu)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(jié)約電能,延長電池壽命,它們稱為終端設(shè)備〔EndDevice。處在中間層次的是路由器,它們必須具備數(shù)據(jù)的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)能力、路由發(fā)現(xiàn)能力。除了完成應(yīng)用任務(wù)外,路由器還必須支持其子設(shè)備的連接、路由表維護、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。路由器必須是FFD。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)最頂層的是ZigBee協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器總是處在工作狀態(tài),因此必須有穩(wěn)定、可靠的電源供應(yīng)。它除了可以完成路由器的一些功能外,還制定網(wǎng)絡(luò)規(guī)則,選擇合適的信道,啟動PAN等。協(xié)調(diào)器也必須是FFD。一般來說路由器和協(xié)調(diào)器在結(jié)構(gòu)上比較相似。的選擇選用ZigBee具有以下優(yōu)點：〔1網(wǎng)絡(luò)容量大,zigbee協(xié)議規(guī)定了三種不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),每種結(jié)構(gòu)都包含一個作為處理中心的協(xié)調(diào)器和其他不同數(shù)量的路由器或者終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器最多可與254個路由器或著終端設(shè)備直接進行通信,而路由器又可與其他設(shè)備直接進行通行,這種模式理論上可組成具有65000個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)?！?網(wǎng)絡(luò)時延短。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進一步節(jié)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(fā)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(shè)備間的數(shù)據(jù)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(nèi)的模塊自動組網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)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(xù)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(fā),通過TTL的RX,TX便可進行數(shù)據(jù)發(fā)送接收,大量減少了產(chǎn)品開發(fā)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(fā)送接收握手機制,可靠地保證了數(shù)據(jù)的發(fā)送接收,另Zigbee采用AES128位密鑰,保證數(shù)據(jù)發(fā)送的安全性。s。2.3智能家居系統(tǒng)構(gòu)架智能家居系統(tǒng)構(gòu)架是面向物聯(lián)網(wǎng)與虛擬現(xiàn)實的是一個明顯的層次結(jié)構(gòu)模型,它基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),自底向上分別是硬件物理層、操作系統(tǒng)、管理接口層、上下文信息管理層、以及虛擬現(xiàn)實表示層。硬件物理層：以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點,以及配套的、專用的傳感器為基礎(chǔ),負責(zé)硬件部分以及相關(guān)功能的實現(xiàn)。操作系統(tǒng)層：多采用較為常用的TinyOS操作系統(tǒng),其他便攜式設(shè)備采用微軟的WinCE系統(tǒng),結(jié)合面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件軟件,實現(xiàn)對硬件底層的屏蔽,并將相應(yīng)功能封裝好,方便上層調(diào)用和處理。管理接口層：主要包括網(wǎng)絡(luò)管理接口和邏輯管理接口,前者負責(zé)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的管理控制、與外部網(wǎng)絡(luò)的無縫連接等；后者負責(zé)協(xié)調(diào)上下層間的任務(wù)管理,一方面進一步封裝底層功能函數(shù),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(wǎng)絡(luò)發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù),還包括用戶關(guān)心的各種服務(wù),如開關(guān)電源、遠程監(jiān)控等。因此,本層的主要任務(wù)是聚合底層上傳的傳感數(shù)據(jù)、管理能夠提供的各種服務(wù),并對其進行分類。虛擬現(xiàn)實表示層：利用XNA等軟件編輯,在上述各層次支撐的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)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(guān)信息。在該控制部分設(shè)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(yù)先設(shè)定參考值。在ZigBee溫度采集節(jié)點采集到信號后進行對比,超出限定值后發(fā)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(wǎng)的ZigBee節(jié)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(fā)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(guān)信息。在該控制部分同溫度控制一樣,要預(yù)先設(shè)定參考值。在Zigbee濕度采集節(jié)點采集到信號后與閾值對比,超出閾值后發(fā)出警報告知控制網(wǎng),并通過路由器控制噴霧、排氣扇的Zigbee節(jié)點。從而使植物保持在適應(yīng)的濕度環(huán)境中?？刂剖覂?nèi)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(tǒng)加入檢測CO2的傳感器,并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與排風(fēng)扇等設(shè)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(jiān)測,以便及時調(diào)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(chǎn)生氧氣。為此我們采集光照強度,并通過路由器處理數(shù)據(jù),并控制與遮陽網(wǎng)、補光燈相連的ZigBee節(jié)點工作。2.4系統(tǒng)方框圖3.系統(tǒng)硬件設(shè)計方案3.1系統(tǒng)硬件平臺選擇及介紹系統(tǒng)硬件平臺：Cc2530CC2530是用于2.4-GHz、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)〔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(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能,業(yè)界標準的增強型8051CPU,系統(tǒng)內(nèi)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(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。CC2530結(jié)構(gòu)框圖溫度測量電路的設(shè)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(shù),利用這種特性實現(xiàn)檢測和控制溫度的目標。可使用塑封系類的熱敏電阻,且價格便宜,溫度傳感器與Cc2530連接圖光照測量電路的設(shè)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(dǎo)體電阻值與攝入光的強度有關(guān)的光電導(dǎo)效應(yīng)。性能參數(shù)主要有光電流,暗電流,溫度系數(shù),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(yīng)速度,而且還有靈敏度高,光譜特性優(yōu)良等特性。在惡劣環(huán)境下仍有較高的穩(wěn)定性和可靠性。光照傳感器與Cc2530連接圖3.3系統(tǒng)硬件工作過程描述利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和組態(tài)軟件實時遠程獲取花卉養(yǎng)殖環(huán)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(huán)境參數(shù)及視頻圖像,通過模型分析,及時反饋信息給養(yǎng)殖主以及時修正,保證花卉生長環(huán)境最適宜作物生長；同時,該系統(tǒng)還可以通過手機、PDA、計算機等信息終端向養(yǎng)殖主推送實時監(jiān)測信息、預(yù)警信息等,實現(xiàn)集約化、網(wǎng)絡(luò)化遠程管理。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計方案4.2系統(tǒng)軟件流程圖設(shè)計4.3各節(jié)點軟件流程圖設(shè)計5.系統(tǒng)性能指標及設(shè)計目標5.1系統(tǒng)性能指標使用了zigbee無線網(wǎng)絡(luò),具有自組網(wǎng)功能,無需線纜連接。ZigBee可以支持每個網(wǎng)絡(luò)多達六萬多個節(jié)點,相比之下,Bluetooth只支持每個網(wǎng)絡(luò)8個節(jié)點,所以該系統(tǒng)基本能夠勝任任何規(guī)模的監(jiān)測環(huán)境。本系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為養(yǎng)植系統(tǒng)的環(huán)境檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺,可以實現(xiàn)監(jiān)測點的任意放置,系統(tǒng)組織靈活；

本系統(tǒng)采用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為智能養(yǎng)植環(huán)境監(jiān)測的解決方案,可以實現(xiàn)對環(huán)境中的多個物理對