基于ZigBee的室内盆花自动浇灌控制系统设计

周跃佳，潘启明

(1.哈尔滨剑桥学院， 哈尔滨 150069；2.东北林业大学，哈尔滨 150040)

近年来，随着生活条件的改善，人们更加渴望置身于舒适、自然、健康的生活和工作环境中，室内绿化装饰作为新兴的产业迅速发展，对增加城市绿地面积、改善人居环境、减轻工作压力等方面都有着积极重要的意义。绿色盆栽植物由于具有提高空气质量、调节生理健康及舒缓情绪的作用，深受人们喜爱，成为室内绿化装饰的首选。绿色盆栽植物的生长需要及时浇灌补水，很多人因长期外出无法进行浇灌而烦恼。无线传感器网络中的ZigBee技术作为智能家居主要的控制系统解决方案，能够实现盆栽植物土壤湿度的采集及智能浇灌控制，可以有效地解决无人照料情况下盆栽植物的供水问题，为现代化家居提供了更全面的智能应用[1-4]。同时，针对不同种类植物、不同大小植物需不同供水量的智能控制问题，成为了系统设计的难点，本设计提出了简单易行的浇灌阈值信息采集方法，以更加实用且低成本的软件控制方法解决了这一难题。

1 系统总体设计

1.1 ZigBee网络

ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低速局速率、低成本，极大地减少了系统布线工作，多跳的自组的网络结构使其更具备了灵活的组网形式，在智能家居控制系统的设计中应用广泛。

组建一个ZigBee网络，一般由一个协调器节点、若干个路由器和若干终端节点构成。协调器是网络中的第一个设备，用于启动并设置一个网络，每个协调器可连接多达255个节点；路由器的功能包括允许其他设备连接到网络中，多跳路由以及协助用电池供电的终端设备与父节点或与其他终端设备相互通信等；终端设备主要是信息采集和执行单元，仅在向父节点发送和接收数据时才被激活，若用两节5号干电池供电，可维持6～24个月的工作，这也正是ZigBee被广泛应用的优势所在。

ZigBee协议中所定义物理设备类型有两种，全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD拥有完整的协议功能，支持任何拓扑结构，能和任何设备通信，可以充当网络协调器、路由器、终端设备节点；RFD通常只用于星形网络拓扑结构中，只能与FFD通信，两个RFD间不能通信，不能完成协调器工作，一般作为终端设备节点，其结构简单、成本低，也利于节能。

在本系统中，由于主要应用于室内，网络覆盖范围一般100 m左右，仅需一个协调器(FFD设备)即可。在每一个花盆中设置一个终端节点用于土壤湿度采集和浇灌电磁阀驱动，由于各终端节点仅需和协调器通信，互相之间不需通信，选用RFD设备即可。整个网络采用星型拓扑结构连接，如图1所示。

图1 自动浇灌控制系统ZigBee网络拓扑结构图

1.2 系统总体结构

根据需要，本文所设计的系统以CC2430为控制核心，主要包括两个组成部分，一个协调器及若干个终端节点。协调器模块主要包括主控芯片、LCD显示电路、按键电路、存储器、PCB天线、串行通信接口、电源电路、时钟电路；终端节点模块主要包括主控芯片、LED指示灯、PCB天线、电磁阀驱动电路、湿度检测电路、电源电路、时钟电路[5]。系统总体结构如图2所示。

图2 系统总体结构框图

2 硬件设计

本系统中协调器和终端节点的主控芯片均采用ZigBee 专用芯片TI 的CC2430，具有强大的数据处理功能、丰富的片上资源以及简单易实现的信号收发功能，配以少量的外围硬件即可满足设计要求。湿度检测电路中传感器选用STH-01壤湿度传感器，能够实时监测有多孔介质特性的土壤的含水率，测量精度为±3%[6]。由于STH-01输出为4～20 m A电流信号，需要通过电流-电压转化电路将电流信号转为 0～5 V电压信号，不同的电压信号幅值再经CC2430进行AD转换成为数字信号，即可确定相应的土壤含水率。用户可通过协调器上的按键及LCD显示对系统进行设置，完成土壤湿度以及相应供水量的阈值信息采集工作。系统运行时，终端节点负责通过对土壤含水率的监测以及控制电磁阀驱动电路实现浇灌的开启或关闭；协调器负责网络的组织管理、信息的分析判断以及控制指令的生成和传输。终端节点处的LED指示灯在电磁阀开启时亮，关闭时灭，用以指示浇灌作业工作状态。协调器与终端节点之间信号的接收与发送均由PCB天线实现。串行通信接口用于与计算机进行通信和调试。

3 软件设计

在室内盆花自动浇灌控制系统的软件设计中，不同种类植物、不同大小的植物正常生长所需的土壤湿度均不同，需浇灌时的土壤湿度值判断以及供水量计算是控制系统设计的难题[7,8]。若采用现代控制理论中复杂的算法实现，必然会使系统更复杂且成本高，同时需要建立各种植物不同生长阶段所需的土壤湿度的数据库，更难实现。综合考察人们日常生活中对室内盆栽植物的养护，浇灌所需水量是凭经验设定的。本系统采用了浇灌阈值信息采集法，用户通过按键选择及设置，对需浇灌的花盆节点进行土壤湿度采集，此数据作为判断土壤湿度的下限阈值；再通过按键选择、设置驱动电磁阀开启进行浇灌，达到所需水量是控制电磁阀关闭，同时对电磁阀从开启到关闭的时间进行计时，此数据作为电磁阀控制的阈值，也即将供水量转化为时间量。设定好阈值后，系统根据存储的阈值数据进入自动运行状态，从而省去了复杂的控制算法。根据植物生长缓慢的特点，此阈值数据一经设定，可适用数月。

系统运行的软件流程如图3所示。开机后，协调器和终端节点首先进行系统初始化, 将网络启动，各设备在协调器的作用下自动进行组网。协调器若有按键输入，则进入阈值信息采集子程序；若无按键，则进行系统轮询，对湿度低于阈值的节点送开启电磁阀命令进行浇灌。由于一般植物浇灌频率为几天一次，时间间隔较长，土壤湿度无需始终采集，无按键中断响应的情况下，系统可设定为整点监控(每隔60 min监控一次)，终端节点空闲时处于休眠状态, 有数据收发时才被激活，可以最大限度地降低功耗，延长使用寿命。

图3 基于ZigBee的室内盆花自动浇灌控制系统软件流程

4 结 语

本文所设计的室内盆花自动浇灌控制系统，采用ZigBee无线传感器网络，由协调器和若干终端节点实现了分布式的土壤湿度信息采集与浇灌控制，其灵活的自组织网络结构使终端 节点的数量可随花盆数量的变化而增减。本文提出的浇灌阈值信息采集方法，可提供不同种类植物不同生长期的需水量数据，避开了复杂的控制算法，简单易实现。在现代化的智能家居应用中，还可以利用ZigBee技术将盆栽植物养护信息传输至计算机或智能终端，使长期在外出差、旅游的人们无需为家中盆栽植物烦恼。同时，本系统也更加适用于办公楼内盆花自动浇灌，创造出更加健康、舒适、便捷的生活环境。

[1] 杨 婷. 基于ZigBee无线传感器网络的自动滴灌系统设计[D].南京：南京农业大学,2010.

[2] 张双德,蒋家和. 基于ZigBee的花卉浇水控制系统的设计与实现[J]. 湖北农业科学,2014,(11):2 657-2 660.

[3] 章军富. 基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统[D].北京：北京林业大学,2010.

[4] 江 挺,胡培金,赵燕东. 基于ZigBee无线传感器网络的灌溉控制系统设计[J]. 节水灌溉,2011,(2):58-61.

[5] 黄向骥. 基于CC2430的无线智能家居系统的设计[D].武汉：武汉理工大学,2010.

[6] 李 勇. 无线传感器网络节点研究与实现[D].南京：南京邮电大学,2011.

[7] 李 玲. 基于数据挖掘的盆栽智能浇灌系统研究与实现[D].山东青岛：青岛理工大学,2013.

[8] 王 军,程增艳,朱秀林. 基于ZigBee的滴灌自动控制系统的设计[J]. 数字技术与应用,2012,(1):3-4.