基于物联网的家庭园艺智能养护系统的分析.pdf

分类号 tp273 密级 不保密 udc 004 8 全日制专业硕士学位论文 基于物联网的家庭园艺智能基于物联网的家庭园艺智能养护养护系统研究系统研究 作作 者者 姓姓 名 名 曹丽平曹丽平 指指 导导 教教 师 师 赖齐贤教授赖齐贤教授 学科专业名称 学科专业名称 园艺园艺 研研 究究 方方 向 向 园艺作物栽培生理园艺作物栽培生理 与设施园艺与设施园艺 所所 在在 学学 院 院 农业与食品科学学院农业与食品科学学院 论文提交日期 论文提交日期 2014 年年 6 月月 1 日日 浙 江 农 林 大 学 二零一四年六月 万方数据 zhejiang a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 准备的能力 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运动量 锻炼身体 机能 增加青少年活力 园艺劳作的过程中能促进青少年之间的交流 随着植物长 大 开花 结出果实能不断地带给学生正能量 帮助培养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 在这个过程中能培养学生耐心 启发其对生 命意义的思考 6 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 老年人退休之后心理落差大 容易感觉失落 孤独 园艺劳 作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 万方数据 第一章 绪论 3 更为健康 心态更为积极 7 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 1 1 2 3 美化环境 收货果实 植物的美是自然的美 室内植物同自然界植物一样具有美学功能 室内植物的 红花绿叶以一定的形式应用于室内可以给人们产生赏心悦目的审美情趣 它们以千 变万化的姿态打破了现代建筑室内的生硬感和呆板感 给人一种质朴 亲切之感 现在阳台蔬菜 屋顶菜园很流行 大家利用室内 阳台及其他可利用的空间种 菜种瓜 不仅能解决一部分生活物资供给 采摘更为方便 而且自家收获的瓜菜更 加安全 放心 吃起来也美滋滋的 给生活增加了很多乐趣 在土地面积比较充足 的地区 可以在房间周围有小块土地可以做成菜园 可以种根菜 叶菜 水果等一 些营养价值比较高的蔬菜 为家庭提供健康和营养的食品 8 从宏观角度 缓解食 品供应和食品安全问题 1 1 3 室内绿化及养护管理 室内绿化是指利用观叶植物等观赏材料 打破室内环境的单调 调节室内温度 湿度 净化空气 营造生机盎然 美丽舒适的室内环境 9 室内绿化主要采用三种类 型植物 即观叶植物 盆景 盆栽花卉 观叶植物的叶片是主要的观赏部位 或叶 形奇特 或叶色美丽 而且对阳光的要求较低 管理较为简单 在全世界都非常流 行 盆景是中国的传统艺术品 观赏价值高 但需要精心养护 花费成本较高 多 被用来租摆 盆栽花卉装饰效果好 因其对光照的要求高 而且需要较多照料 多 用于在节日摆放 以烘托节日氛围 1 1 3 1 室内绿化功能 室内绿化能够吸收毒气 舒缓心情 美化居室 室内空间具有重构的作用 10 室内植物能吸收由家电 塑料制品等所散发出的有害毒气 如一氧化碳 过氧化氮 等 室内植物 可以让生活在其中的人感觉松弛精神 调节人的视神经 心律 缓 解神经性疲劳等 室内绿化能美化居室 让居室呈现出意境美和艺术美 使得室内 氛围更加灵动 是室内装饰必不可少的组成部分 9 室内植物本身的大小 高矮可 以调整空间的比例感 而且室内摆放的花墙 花池 盆栽能把室内分隔成既透漏又 略有隐蔽的小空间 做到似隔非隔 相互交融的效果 1 1 3 2 室内绿化植物选择 室内绿化对植物要选择得当 布置得体 10 室内环境比较温暖 通常房间的温 度在 15 21 但是各处的光线强度相差大 朝南的窗口能接受到充足的直射光 东或西窗也能接受较少的直射光照 朝南 朝东或朝西房间 有百叶窗 窗帘和密 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 4 树挡住的地方都可以接收到透射光 室内绿化多选用原产热带雨林地区的植物 热 带雨林地区的植物多在温暖湿润的半荫或荫蔽的环境下生长 耐高温 高湿 9 室内植物选择不能过大 也不能布置过多 因为夜晚室内植物只有呼吸作用 吸收 o2放出 co2 过多的植物进行呼吸作用会让居室夜间 co2浓度过高 对人们 身体健康造成影响 11 考虑到室内植物与人类接触非常密切 一定要确保所选的植 物无毒 无怪味 无粉尘 无毛刺 长期下再会影响居室中人身体健康 12 室内植物的布置和选择由各房间的功能和气候环境共同决定 客厅是室内绿化 装饰的重点 是人们日常起居 接待宾客的主要场地 要体现出好客和美满的氛围 植物配置应力求美观 大方 茶几 临近沙发的窗框几案处可放置一些色彩艳丽 玲珑小巧的观叶植物 卧室宜选用小型 淡绿色的植物 以舒缓神经 解除疲劳 书房宜选用清秀典雅的绿色植物为主 以缓解疲劳 达到镇静悦目的效果 餐厅可选 用色彩明快的室内观叶植物 以创造活跃的气氛 根据植物的需光程度 通常应该 把喜阳植物摆放在窗台 阳台或光照充足的位置 把对光照要求低的阴性植物就要 摆放在远离窗边较荫蔽的地方或没有阳光的位置 1 1 3 3 室内绿化养护 根据室内环境需要对室内绿化进行的养护有浇水 补光 施肥 室内盆栽植物 浇水也很重要 在室内完全接收不到自然的雨水 而且室内植物分布在各个房间的 各处 不如阳台和屋顶方便统一管理 如果有植物漏浇就会干死 室内植物浇水一 般采用 干透浇透 的原则 浇水过多会使植物萎蔫 茎叶腐烂 室内光线较弱 而光照是绿色植物存活必不可少条件 光照不足会使花叶褪色 植株变细弱 生长 缓慢 落叶 要经常对光线暗处植物进行补光 或者定期移到明亮处补光 室内盆 栽基质少 容易造成营养不良 施肥应采用 薄肥勤施 的原则 施肥过多会导致 烧根 或是造成植株生长量过大 枝叶柔弱 容易受害虫侵袭 施肥过少容易导致 盆土板结 植物生长缓慢或停滞 叶片色泽浅淡 缺乏光泽 13 1 1 4 阳台绿化及养护管理 阳台气候条件好 空间较大 既可以选择种蔬菜 花卉 也可以布置藤蔓花架 扮演着居家花圃菜园的角色 阳台种植蔬菜在绿化美化阳台之外还能收获无公害蔬 菜 通常可以选择种植叶菜类 果菜类 芳香蔬菜类 食用菌类 芳香类蔬菜 包 括紫苏 limnophila aromatica 薄荷 mentha species 迷迭香 rosmarinus officinalis 球茎茴香 carlesia sinensis 香葱 allium schoenoprasum 大蒜 allium sativum 等 14 是理想的阳台种植观赏蔬菜 它们能为家庭烹饪调味带来随手摘用的方便 而且分 蘖能力和叶片再生长能力强 耐热 抗寒 耐旱 阳台种植花卉可以是挂式 吊式 搁式的立体绿化绿化形式 即可增加绿化面 积 还能丰富观赏面 做到 远近高低各不同 阳台上可以选种缠绕或卷须型植 万方数据 第一章 绪论 5 物 如牵牛 pharbitis nil 茑萝 ipomoea quamoclit 忍冬 lonicera japonica 丝瓜 luffa cylindrica 苦瓜 momordica charantia 葫芦 lagenara siceraria 葡萄 vitis vinifera 等 15 攀附于绳索 竹竿 木条或金属线材构成的网架 支架上 形成绿 屏或绿棚 1 1 4 1 阳台绿化功能 城市中高楼林立 人们都居住在高楼中的套间 只有阳台能接收到较多的阳光 能被外界看到的也只有阳台 由外往里观望阳台就是居室的门面 人们可以充分利 用阳台空间进行绿化 美化 创造属于现代人的空中花园 16 在阳台上可以进行悬 垂式 藤棚式 附壁式 花架式绿化装饰 植物的形 色 质 味或其枝干 花叶 果实都显示着自然美 洁净 纯正 充满生机 引人热爱自然 热爱生活 陶冶人 们的情操 启发人们更加热爱生命和自然 阳台绿化区既是居家的橱窗 给外界一个美丽的印象 又是室内与室外交流的 一道关口 能降噪 滞尘 加湿 降温 阳台植物是家庭园艺阻隔和吸收强烈噪音 第一道防线 在阳台植物的作用下能一定程度上降低外界噪音对室内工作 学习和 休息的影响 外界气流流经阳台植物时 植物分泌的物质能够起到杀菌消毒的作用 蒸腾作用产生的水汽能起到加湿的作用 还能有效的阻止灰尘进入室内 顾平道等 进行了阳台植物对室内温湿度影响的实验 研究得出绿量为 19 5 m2的阳台能够使 得 1000 m3的空气柱温度降低 0 06 相对湿度增加 0 07 17 阳台良好采光为植物 生长创造了条件 种植的花卉能够为室内植物装饰所使用 种植的蔬菜有机无污染 现摘现吃 1 1 4 2 阳台绿化植物选择 在选择植物是还要综合考虑当地的气候条件 包括光照 温度 湿度 综合考 虑之后再作出合适的选择 阳台按结构形式分可以分为一沿式阳台 封闭式阳台 半封闭式阳台 开阔式阳台 18 不同类型发阳台通透性不相同 气候条件不同 所 以对植物的选择也不相同 例如不同方位的阳台光照条件相差很大 所以不同方位 的阳台适合种植不同类型的植物 朝南阳台最适合进行阳台绿化布置 其昼夜温差 大 白天吸热多 气温高 光合作用旺盛 晚上气温低 呼吸作用得到抑制 能量 消耗少 有利于植物生长 所以南向阳台适宜种植喜光 耐旱 喜温暖 耐热的植 物 如米兰 aglaia odorata 九里香 murraya exotica 六月雪 serissa japonica 旱金莲 tropaeolum majus 矮牵牛 petunia hybrida 月季 rosa chinensis 等 朝北 阳台无太阳直射 温度稍低 适合种耐阴植物 如常春藤 hedera nepalensis var sinensis 龟背竹 monstera deliciosa 绿萝 epipremnum aureum 印度榕 ficus elastica 安祖花 anthurium hybrida 等 18 朝东朝西的阳台的光照条件处于两者之 间 适合种植喜欢半阴的植物 如君子兰 clivia miniata 杜鹃 rhododendron 凌 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 6 霄 campsis granbiflora 等 除了生态因素之外 阳台植物选择要与阳台大小的比例相符合 颜色与索要表 达的主题相协调 体型大的植物可以选择一到两棵 作为主要植物 点出想要表达 的主题 而植株矮小 紧凑的植物能起衬托作用 小而精致 布置方便 管理简单 1 1 4 3 阳台绿化养护 阳台夏秋季光照强 吸热多 空气流通强 墙面辐射大 水份蒸发快等特点 阳台植物需水量比是室内植物更大 给阳台植物浇水时 如果水源只能选择自来水 就需要贮存 12 小时后待水中漂白粉散发 而且无明显温差后再使用 阳台通常光 照条件较好 种植喜阳的植物无需特殊的补光处理 如果将观叶植物种于阳台 不 宜搁置于阳光直射处 或者进行适当遮阴处理 阳台上种的蔬菜 观花植物等生快 比室内观叶植物需要更多的养分 施肥前可用水把盆土潮湿 避免浓度过高 烧根 阳台种植可以采用 薄肥勤施 的施肥方法 也可几种施肥 观叶植物和夏季开花 植物可在初秋补施肥料 冬季开花植物可在秋末和春季加施肥料 阳台植物灰尘多 对植物叶片定期地进行清理不仅能使叶片更加光洁美丽 还能提高叶片光合作用的 效率 对叶片大的植物采用擦洗的方法清理 叶片小的植物喷水清理同样可以达到 效果 1 1 5 屋顶绿化及养护管理 屋顶绿化是一种植物栽植于建筑物顶部的绿化 能够美化建筑第五立面 改善 城市生态环境 大致分为两大类 粗放型屋顶绿化和花园式屋顶绿化 19 屋顶绿化 结构分层通常被人们分为保温隔热层 防水层 排水层 基质层 植物层等 屋顶 绿化一般要求基质轻质 透气 无污染 营养适中 较好的保水保肥能力 常用的 有泥炭 稻壳 锯木屑 陶砾 珍珠岩 蛭石等 有时还会混入天然土和少量的黄 沙 20 1 1 5 1 屋顶绿化功能 屋顶绿化能为人们营造美丽的景观 促进建筑与景观的和谐统一 具有美化亮 化的功效 一些人选择在屋顶建起屋顶果园 屋顶菜园 这样不仅达到了绿化的效 果 还能产生经济收益 在改善环境方面 屋顶绿化能够净化空气 杀菌 降低噪 音污染及屏蔽部分射线和电磁波 还能保护建筑物顶部物理性能 延长使用寿命 21 从宏观方面考虑 屋顶绿化还能缓解城市热岛效应 保温隔热 减少空调的使用 节约能源 1 1 5 2 屋顶绿化植物选择 植物的选择与养护管理是住宅屋顶绿化成功的关键 住宅屋面大多数为全日照 直射 光照强度大 应该在屋顶选择种植阳性植物 夏季屋顶光照强度大 加上钢 筋混凝土在太阳辐射下反射强 升温快 白天屋面温度比地面高 3 5 21 要求 万方数据 第一章 绪论 7 屋顶植物具有较好的耐热性 冬季屋顶风大 保温性差 则要求屋顶植物比地面植 物具有更好的耐寒性 屋面日照充足 温度较高 风大 造成了相对湿度比地面低 10 20 选择耐旱的阳性植物能够降低管理养护的难度和频率 住宅屋顶一般 风力较地面要大 为了降低极端气候来临时造成的损失 应尽可能选择抗风性强 不易倒伏的植物 还需要在下暴雨时能耐短时积水 屋顶种植土层较薄 为了防止 根系对屋顶建筑结构的侵蚀 特别是对屋顶防水层的破坏 应尽量选择根系浅的植 物 总之 屋顶绿化要求植物为喜阳性 具有较好的耐旱性 耐寒性 耐热性 抗 风性 能耐短时积水 根系为浅根系植物 19 1 1 5 3 屋顶绿化养护 屋顶的环境特点使植物的蒸腾作用量大 失水多 因此夏季每天在清晨或傍晚 都要浇水 还要适当喷雾降温 春秋浇水也要勤浇水 21 屋顶绿化土层浅 较贫瘠 因此要勤施有机肥或营养液 有机肥必须经过发酵腐熟 以免烧根 避免使用有污 染 有刺激性气味的肥料 以免影响人们进入园内观赏 无机肥要注意营养成分的 搭配 最好调制成营养液 20 1 2 物联网概况 1 2 1 物联网定义 itu international telecommunication union 国际电信联盟 发布的 itu 互 联网报告 2005 物联网 中才正式给出了物联网的定义 并指出了其关键技术 如 rfid radio frequency identification 射频识别 传感器技术 纳米技术 智能嵌 入技术等 在欧盟 cerp iotsra 议程 2009 年 中将物联网定义为 物联网将是未来互联 网不可分割的一部分 是一个动态的全球网络架构 它具备基于一定的标准和互用 的通信协议的自组织能力 2009 年 ibm 在 智慧地球 中给出物联网的概念 通 过射频识别 rfid 红外感应器 智能仪表等智能传感设备 以及可扩展的 能普 遍接受的通信 软硬件及平台技术 按约定的协议 把人 物品和信息系统相互连 接成网 进行信息交换和通信 以实现无所不在的信息采集 分析 优化和对物理 世界的有效监控和管理的网络 称之为 物联网 目前较为公认的物联网的定义是 通过射频识别 红外感应器 全球定位系统 激光扫描器等信息传感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行 信息交换和通讯 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 1 2 2 物联网发展史 1995 年比尔盖茨在 未来之书 中最早提出物联网的理念 21 22 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 8 1999 麻省理工学院 auto id 研究中心在学术上正式提出物联网的概念 其最 初的含义是指把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来 实现智 能化识别和管理 1 21 23 2005 年 国际电信联盟 itu 发布了 itu 互联网报告 2005 物联网 报 告指出 无所不在的 物联网 通信时代即将来临 世界上所有的物体从轮胎到牙 刷 从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换 2009 年 1 月 ibm 提出了 智慧地球 构想 物联网为其中不可或缺的一部分 而奥巴马对 智慧地球 的构想做出了积极回应 并将其提升为国家层级的发展战 略 从而引起全球广泛关注 2009 年 8 月 7 日 国务院总理温家宝在无锡微纳传感网工程技术研发中心视察 工作时表示中国要抓住机遇 大力发展物联网技术 25 2009 年 8 月 26 日 工信部 总工程师朱宏任在中国工业经济运行 2009 年夏季报告会上表示 我国也正在高度 关注 重视物联网方面的研究 2009 年 9 月 11 日 工信部传感器网络标准化工作 小组的成立 标志着我国将加快制定符合我国发展需求的传感网技术标准 力争主 导制定传感网国际标准 26 27 2010 年 3 月 5 日在十一届全国人大三次会议上 温家宝总理又首次在政府工作 报告中要求加快物联网的研发应用 至此 物联网建设上升到国家战略高度 近年来 我国在国家重大科技项目 国家自然科学基金 国家 863 计划中 已部署了物联网相关技术的研究 在通信协议 芯片 协同处理 网络管理 智能 计算等领域组织开展了技术攻关 物联网技术除在灾情监测 交通 物流 医疗 环保等领域已经开始应用外 在智能电网 智能安防等方面的应用也开始实施 电 信运营商开展了多种 m2m 业务应用推进传感器网络与 3g 移动通信网络的融合 我国已具有了一定的物联网基础 核心技术自主知识产权的缺乏是存在的问题 标 准体系待建立等 1 2 4 物联网关键技术 rfid 技术 射频识别 rfid 技术是一种非接触式的自动识别技术 主要由 rfid 电子标签 读写器和信息处理系统组成 通过射频信号自动识别对象并获取 相关数据完成信息的自动采集工作 rfid 是物联网最关键的一个技术 它为物体 贴上电子标签 实现高效灵活的管理 传感器及节点技术 传感器是指能感知预定的被测指标并按照一定规律转换成 可用信号的器件和装置 通常有敏感元件和转换元件组成 物联网中传感器节点是 在传感器基础上增加了协同 计算 通信功能构成了具有感知能力 计算能力和通 信能力的传感器节点 网络和通信技术 传感器必须依托网络和通信技术来实现感知信息的传递和协 万方数据 第一章 绪论 9 同 传感器网络可分为 2 类 近距离通信和广域网络通信技术等 其中 近距离通 信的核心技术是以 ieee802 15 4 规范为准 广域网通信的核心技术是以 ip 互联网 2g 3g 移动通信 卫星通信以及以 ipv6 为核心的下一代互联网技术 1 3 物联网的应用 1 3 1 物联网在农业上的应用 物联网在农业领域具有广阔应用前景 在农田 果园等大规模生产方面可借助 物联网技术检测小环境的温度 湿度 光照 降雨量等 还可以检测土壤的有机质 含量 重金属含量 ph 值等 以及植物生长特征等信息进行实时获取传输并利用 而这对于科学施肥 灌溉作业来说具有非常重要的意义 已成为目前农业物联网研 究领域最主要的课题之一 1 3 1 1 物联网与智慧农业 中国农业大学李道亮教授定义智慧农业是以物联网技术为支撑和手段的一种 现代农业形态 是一个比电脑农业 精准农业和数字农业更为新颖和先进的农业信 息化概念 31 智慧农业的目标是最高效率地利用各种农业资源 最大限度地降低农 业成本和能耗 减少农业生态环境破坏 智慧农业的重要特征是农业全产业 全过 程智能化 32 物联网可以在农业资源管理 如农用土地资源 水资源 生产资料 农业生态 环境管理 如土壤 大气 水质 气象 灾害 生产过程管理 33 如精细化农业种 植 设施农业 健康养殖 34 农产品与食品安全 如产地环境 产后 贮藏加工 物流运输 供应链可追溯系统 农业装备与设施 如工况监测 远程诊断 服务调 度等农业科学领域发挥巨大的作用和优势 精细化农业种植不仅节约成本 还能保证果蔬可以在最适宜的环境下生长 实 现增产增收 物联网农业的一大特色之一就是农户及管理人员可以通过环境监测设 备 进行环境数据的精确控制 从而达到农业的精细化管理 物联网实现 智慧农业 生产主要体现在实时传感数据采集 智能分析 联动 控制 质量监控等四个方面 实时传感数据采集能实现实时数据采集和历史数据存 储 能够摸索出农作物生长对温 湿 光 封的需求规律 提供精准的实验数据 智能分析和联动控制能够及时精确地满足农作物生长对环境各项指标的要求 质量 监控模块通过 3g 摄像头远程监测大棚内部农作物长势 使用无线传感器网络实时 采集大棚内部温湿度和光照数据 土壤水分 通过 3g 无线网络远程控制大棚内部 设备 使用无线通讯 实时显示播报生态区的动态 另外 产品追溯码还可以作为 信息传递工具 通过查询系统可以查询农产品从生产基地到零售市场的全过程 实 现到质检和运输的标准化和网络化管理 35 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 10 1 3 1 2 物联网监测环境与土壤墒情 无线传感器网络 wireless sensor networks wsn 是由多个传感节点组成的面 向任务的无线网络 融合了传感器技术 嵌入式计算技术 现代网络及无线通信技 术 分布式信息处理技术等多个领域技术 传感器对目标信息进行实时监测 由嵌 入式计算资源对信息进行处理 通过无线通信网络将信息传送至远程用户 在农业领域可以运用无线传感网络对果园 菜园 大棚 温室等场所的环境和 土壤墒情进行实时监控 实现农田 果园和苗圃的土壤墒情信息的自动采集 无线 传输 实时监测 网络发布和远程监控等功能 也可以为生产者拟定管理计划 无 线传感网络能够快速有效地获取土壤墒情信息 低成本和高可靠性进行信息传输 有助于科学种植 提高产量 空气湿度 温度 环境的光照强度 co2浓度 土壤中含水量 ph 值等是监 控的重要参数 目前研究者们运用不同的技术和方法开发设计出了多种无线传感网 络监控系统 用于对大田 果园 蔬菜大棚 温室环境进行实时监控 2010 年樊志平等人研发了柑橘园土壤墒情远程监控系统 采用具有 zigbee 无 线数据收发的 xbee pro 模块实现了对柑橘园的远程和实时监控 36 2012 年苏维 均等人开发设计了基于 zigbee 的低功耗温室监测系统 37 能够准确采集温室内光 照度 空气温湿度 土壤水分和二氧化碳浓度等环境信息 很好地避免了传统温室 大棚有线监测系统中的施工复杂 线路多和维护难等问题 2011 年杨爱洁等人研发 的果园数字信息采集与管理系统 38 结合了无传感网络和 gps 定位技术 进行果 园数字信息采集 为灌溉及施肥与远程管理提供技术支撑 2012 年 王超等人 运 用采用无线传感网络对农田各个灌区进行土壤含水率采集 并对采集的数据进行分 析 处理 采用正确的预报与决策方法拟定用水计划 39 2013 年唐娟等人设计了基 于 zigbee 无线传感网络的黄瓜温室水肥耦合无线监测系统 采用的无线芯片型号 是 cc2430 40 1 3 1 3 物联网实现无线智能灌溉 低功耗无线传感网络节点自组网方式构成无线传感器网络节水灌溉控制系统 能免去灌溉控制中的布线不便 还能降低成本 并克服在农田中维护的种种困扰及 不可预知的因素 较好地提高自动灌溉的实用性及灌溉用水的使用效率 41 农业灌 溉占据中国占总用水量的 70 无线传感网络通过环境的监控实现自动节水节能 可以构建高效 低能耗 低投入 多功能的农业节水灌溉平台 42 早在 2005 年就有将无线传感网络技术应用于节水灌溉的研究报道 进行农田 节水灌溉的研究较多 也有少数人研究过园林自动灌溉和小面积观赏植物自动灌 溉 随着时间的推移 无线网络技术的功能和技术在不断进步 在自动灌溉研究中 研究者们尝试过不相同的无线通信技术 有采用nrf903收 发芯片实现数据传输的 万方数据 第一章 绪论 11 有采用 gsm 网络技术的 有采用 zigbee 无线通信技术的 在不同的年代和不同的 研究目的下所选用的无线网络技术不同 2005 年曹成茂等人利用 nrf903 收 发芯片实现数据的无线传输 43 进行节水灌 溉自动控制 2010 年 何龙等人对无线传感网络技术在设施农业中应用 44 的研究中 实现了对葡萄栽培基地的土壤水分 养分 温度 湿度和光照等信息的实时动态测 试与显示 并能根据环境参数进行自动控制灌溉 无线传感网络在园林灌溉中的应 用也有一些研究报道 2010 年 杨婷等人研究了基于 zigbee 技术的农田信息采集 及自动滴灌 通过采集信息有植物土壤湿度 环境温度和光照强度对农田实施分区 精确灌溉 42 2011 年曹继忠等人采用 zigbee 无线通信技术进行了园林自动节水灌 溉系统设计 45 能够在园林中进行土壤温湿度采集 并依据温湿度来控制喷灌 滴 灌阀门 2012 年李晓东等人利用 gsm 网络 通过手机发送短消息指令实现对庭院 观赏植物的微型灌溉远程控制 手机按键或短消息指令可以进行灌溉的开启与停止 46 2012年张增林运用zigbee无线传感网络和gprs网络 设计开发了基于cc2530 和 msp430 的节水灌溉控制系统 47 根据采集的土壤含水率信息自动进行农田节水 灌溉 1 3 2 物联网在智能家居上的应用 1 3 2 1 智能家居概念及发展 智能家居 又叫做e home 或者smart home 是指利用自动化控制技术 网络 技术 计算机应用技术 电子技术 通信技术等 48 将家中的各种设备通过网络连接 成一个智能化家居控制系统 系统能够自动控制各种设备或接受上位机远程控制 受 控制的设备包括音视频设备 照明系统 窗帘 空调 安防系统 数字影院系统 网 络家电和三表抄送等 最早的智能家居于1984年出现在美国康涅迪格州 49 设计人员采用计算机系统空 调 电梯 照明 还具有电子邮件 语音通信 资料检索等功能 之后在80年代末 49 通信与信息技术进一步发展 人们开始采用总线技术对住宅中各种通信 家电 安防 设备进行监控与管理 在美国开始出现smart home的概念 总的来说智能家居的发展大致可分为四代 49 第一代主要采用同轴线 两芯线实 现灯光 窗帘控制和少量安防等功能 第二代主要采用rs 485线或ip技术组网 具有 可视对讲 安防等功能 第三代的控制实现了集中化 功能有安防 控制 计量等 第四代采用全ip技术 末端设备采用zigbee等无线传感技术 智能家居还能运用 云 技术帮用户实现定制化 个性化 虽然中国智能家居的前期研究主要集中在三表抄送系统 可视对讲系统以及门禁 系统 50 等一些分散的智能家居控制子系统上 但第四代基于无线传感网络的智能家居 在中国也开始起步 传统家电企业 如海尔 tcl 创维 海信 科龙等也开始进军 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 12 智能化家居市场 51 几个龙头企业也争先恐后的推出自己的主打产品 如清华同方推 出的经济型的智能化家居系统 e home 数字家园 已经得到了一部分人的认可并占 了部分市场份额 52 1 3 2 2 智能家居系统优势分析 智能家居系统主要包括安全防盗 医疗保健 智能家电三个大的方面 53 安全盗 功能可以通过红外线安防 视频监控安防 门禁安防 人脸识别安防等来实现 保障 家庭成员的人身安全 财产安全 典型的人脸识别算法有adaboost行人检测算法以及 隐马尔科夫模型人脸识别算法 研究者们在智能家居领域开发了医疗监护手机 医疗 数据分析平台和无辐射母婴健康监护平台 以保障家庭成员健康 家电智能控制是智 能家居的一个重要方向 包括家庭影院 智能音乐控制系统 54 智能供暖等等 相比 传统家电 智能家电具有更大限度的便捷性 和舒适度 也可以更好的节能减排 吸 引家电企业纷纷进军智能家居开发 传统家居系统一般是有线的方式来组建的 如 lonworks cebus x 10 rs485 canbus ethernet 等 系统安装和维护成本高 移动性能差 增减设备需要重新布 线 而且影响美观 采用无线传感网络技术智能家居系统容易安装 不需布线等工序 脱离了有线的限制 整体架构 55 灵活性高 1 3 2 3 智能家居的实现 在智能家居领域 平台和组网方式的多样化决定了智能家居的实现方案的多样 化 2011年 杨力宏等人运用gprs发送短消息来实现家庭安防和智能控制家庭设备 56 2008年李广路采用zigbee无线通信技术实现了对家庭网络子系统进行实时监控 2012年李怀亮等人设计的智能家居系统 采用nrf2401无线收发模块实现主机与节点 的通信 57 采用gsm网络实现用户的远程操作 系统可以实现门窗的开关 煤气泄 漏警报灯功能 2012年曲鹏超采用nrf24l01无线收发模块实现了一个局部物联网系 统 58 智能家居系统由家庭物联网 家庭无线局域网及外网 59 3个网络组成 家庭物联 网通过可靠的全覆盖的无线网络 zigbee bluetooth nrf24l01等 组建的家庭物 联网 由网络节点和管理中心组成 用于家居设备与传感器之间的通讯 家庭无线局 域网的通信模块通过wifi组建的家庭高速局域网 外网可以是小区局域网 有线电视 网 电话网和internet等 家庭网关是智能家居的重要部分 能够转换通信协议 以及同外部通信网络进行 信息交换 60 目前多种无线通讯技术并存 在缺乏统一的协议标准的情况下 各厂商 生产设备有各自的接口标准与协议 使得不同设备之间的互连 互通变得非常困难 家庭网关就能完成家庭内部网络各种不同通信协议之间的转换和信息共享 实现通信 设备 娱乐设备 家用电器 自动化设备 照明设备 安防装置及水电气热表 家庭 万方数据 第一章 绪论 13 求助报警等设备互联和管理 此外家庭网关与进行信息交换的功能 用户通过internet 可以方便地实现对家庭智能设备的远程控制和管理 使得远程设备维护和集成设备管 理成为可能 1 3 2 4 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 操作系统层 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 disware 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 26 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 数据 还包括用户关心的各种服务 如开关电器 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 等软件编程 在上述各层次支撑的基础上 实现 智能家居的虚拟场景 并同时将各种上下文信息以显式展现给用户 1 4 研究目的及意义 1 4 1 研究目的 课题通过研究和实践 将物联网技术应用到家庭园艺养护中 同时在智能家居 系统中研发家庭园艺养护应用模块 运用物联网技术研发适合家庭园艺的便捷 智 能 性价比高的养护管理控制系统 实现对湿度 光照 温度 景观灯的智能化管 理和控制 制作系统 并且进行试用和完善 1 4 2 研究意义 基于物联网的家庭园艺智能养护系统控制的研究是横跨智能家居和家庭园艺 两个领域的研究 对于智能家居领域而言 家庭园艺养护是与安防系统 家电控制 系统并列的一个全新的应用领域 该项目的研究还停留在比较浅的阶段 具有很大 的开发空间 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 14 在家庭园艺中引入最新的信息技术 能给家庭园艺管理创造便利 加快家庭园 艺智能化 家庭园艺管理技术上还是沿袭传统的方式 凭经验 凭感觉管理 在时 间和精力是需要很大的投入 在自动化方面有使用一些灌溉定时器 也不普遍 人 们都很期待有能自动管理家庭园艺的控制系统 虽然在智能化程度高的温室里已开 始应用自动化管理 能进行远程控制 但系统昂贵笨重 操作复杂 并不适合家庭 使用 基于物联网的家庭园艺智能养护系统的研究 是以家庭园艺养护为前提的研 究 具有较强的应用性 是为家庭园艺量身定制养护系统 家庭园艺智能养护系统的研究能为智能家居提供园艺养护新思路 新的应用领 域 近年来物联网在家居生活得到了广泛的应用 并出现了一个新的行业 智能 家居 能实现智能安防系统 家庭影院 家电智能远程控制 使得生活更为舒适 方便 安全 但智能家居并未涉及园艺养护方面 家庭园艺养护系统能够许多智能 家居系统开发者的兴趣 是一个具有前景的开发领域 万方数据 第二章 家庭园艺自动养护仪器分析 15 第二章 家庭园艺自动养护仪器分析 在养护系统设计前期 作者对市场上的一些家庭园艺中用到的辅助管理产品进 行了研究分析 现在市场上园艺控制管理产品有不少 有国产进口 价位有几十到 几千不等 所具有的功能和适用的环境也各不相同 中国有厦门巨益有限公司 森 禾种业有限公司等推出了园艺自动控制系统 国外有德国的 gardener 美国 rainbird 等公司推出了多个系列的自动灌溉控制器 专为家庭园艺设计 本文总 结了六类产品 土壤检测仪 国产定时器 进口控制器 无土栽培自动控制系统 土壤湿度自动检测浇灌系统和智能移动植物墙 下文对各类产品进行了详细分析 产品详细信息主要来自公司官方网站和淘宝网站 2 1 四合一园艺土壤检测仪 2 1 1 产品概况 四合一园艺土壤分析电子检测仪 如图 2 1 能够检测的参数有土壤温度 湿 度 光照强度 酸度 价格在 120 元左右 由阳光亿事达公司生产 货号为 ckx 尺寸为 12 2 cm 6 3 cm 3 6 cm 重量 0 23 kg 四合一园艺土壤分析电子检测仪可供 农业机构 农村 个人种植 养花使用 图 2 1 四合一园艺土壤检测仪 figure 2 1 four in one horticultural soil detector 注 图片来自 2 1 2 功能介绍 四合一数字土壤检测仪将测量的环境光照强度分为七个等级 led 屏显示为 low low low nor nor nor hgh hgh hgh 将测量土壤 的水分含量分为非常干 干 正常 湿 非常湿 在 led 屏上显示为 dry dry nor wet wet 温度测量范围 9 50 精度为 1 测量土壤的酸碱度范 围为 3 5 9 0 精度为 0 5 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 16 2 1 3 产品评价 四合一园艺土壤分析电子检测仪是对指针检测仪的进一步改良 方便读数 也 为种植者提供了更为准确的客观判断 能避免主观判断的不确定性 而且一台仪器 能够同时监测土壤的四个参数 方便使用 该仪器能够辅助进行准确判断 在采集 信息上有一定的智能化 但并不能进行控制 种植者的工作量不会减少人 不能做 到自动化 2 2 国产定时器 国产定时器 如图 2 2 价位在 100 200 元 网店当中很常见 品牌比较杂 尺 寸大小不一 能用于家庭花园定时浇水喷灌 产品有液晶屏 以一个星期为灌溉周 期 配有手动开关浇水功能 一天内最多设置 16 次浇水 单次浇水时间 1 分钟到 10 小时 适合水压 0 05 0 8mpa 2 节 7 号电池供电 这种国产定时器价格合适 在市场上销量较好 也是家庭园艺中使用较多的办自动化的灌溉控制器 但这种定 时器的智能化程度比较低 设计粗糙 功能简单 难以满足种植者更高的需求 图 2 2 国产定时浇花系统 a 实物照片 b 原理图 figure 2 2 timer for irrigation made in china a the mation b structure of the systern 注 图片来自 chip enable csn 1 spi disable sck 0 spi clock line init high 本系统中发送模式设置主要有写入地址 使能 auto ack 和通道 0 选择 rf 通道 40 写入数据宽度 通信速率为 22 mbps 通信功率为 0 dbm 最大重发次数 10 设置 cre2 字节校验码等 发送模式设置程序如下 万方数据 第三章 系统总体设计 29 void tx mode void ce 0 spi write buf write reg tx addr tx address tx adr width writes tx address to nrf24l01 spi write buf write reg rx addr p0 tx address tx adr width rx addr0 same as tx adr for auto ack spi write buf wr tx pload tx buf tx pload width writes data to tx payload spi rw reg write reg en aa 0 x01 enable auto ack pipe0 spi rw reg write reg en rxaddr 0 x01 enable pipe0 spi rw reg write reg setup retr 0 x1a 500us 86us 10 retrans spi rw reg write reg rf ch 40 select rf channel 40 spi rw reg write reg rf setup 0 x07 tx pwr 0dbm datarate 2mbps lna hcurr spi rw reg write reg config 0 x0e set pwr up bit enable crc 2 bytes 3 4 3 3 接收模式设计 同发送模式类似 接收模式设置主要有接收地址 波特率 rf 通道设置 设 置数据包宽度为 16 字节 最大重发次数为 10 等 初始化后 ce 保持高电平 表 明器件准备接收一个数据包 接收模式设置函数程序如下 void rx mode void ce 0 spi write buf write reg rx addr p0 tx address tx adr width use the same address on the rx device as the tx device spi rw reg write reg en aa 0 x01 enable auto ack pipe0 spi rw reg write reg en rxaddr 0 x01 enable pipe0 spi rw reg write reg rf ch 40 select rf channel 40 spi rw reg write reg rx pw p0 tx pload width select same rx payload width as tx payload width spi rw reg write reg rf setup 0 x07 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 30 tx pwr 0dbm datarate 2mbps lna hcurr spi rw reg write reg config 0 x0f set pwr up bit enable crc 2 bytes set ce pin high to enable rx device 万方数据 第四章 采集端设计 31 第四章 家庭园艺智能养护系统采集端设计 4 1 传感器选型 传感器感应物理信息并生成可测量的电信号 它是控制系统中参数检测所必须 的器件 通过传感器可以获得系统中的各项参数的信息 信息的准确与否直接关系 到整个系统的测量精度和控制精度 从而进一步根据各种植物的生长要求合理控制 植物的生长参数 使植物能顺利生长 选择合适的传感器是实现自动控制的前提和 基础 家庭园艺养护系统需要采集的信息主要包括光强 土壤湿度和温度 通过光 敏传感电阻 温度传感器和土壤湿度传感器来实现信息的采集 采集端传感器的选 择 决定着采集模块的实现方式 影响着电路和程序的复杂程度 也会在运行中影 响到系统的整体性能 光敏传感器选用 5516 光敏电阻 为高阻小功率器件 额定功率 0 05 w 正常 温度 30 到 70 正常工作 制作工艺为陶瓷绝缘功率型 性能参数见表 4 1 表 4 1 5516 光敏电阻性能参数 table 4 1 feature of 5516 photoconductive resistance 型号 最大电压 光谱峰值 亮电阻 暗电阻 上升响应时间 下降响应时间 5516 150vdc 540 nm 5 10k 0 5m 20 ms 30ms 温度传感器选用 tnc75 为数字温度传感器 是低成本的复杂多温度区监测应 用的理想选择 tnc75 测量范围为 50 到 125 精度为 1 5 tcn75 产品带 有用户可编程寄存器 可灵活用于各种温度检测应用中 用户可选择寄存器设置 允许选择 9 位到 12 位的温度测量精度 省电关断模式和单次测量模式 在关断模 式下根据命令进行单次转换 配置 以及温度警告输出和温度迟滞限制参数 当温 度变化超过规定限制时 tcn75 输出一个警告信号 用户可设置警告输出信号的极 性 低电平有效或高电平有效 用作温控器工作的比较器输出或基于微处理器系 统的温度事件中断输出 此传感器具有业界标准的双线 i2c 兼容串行接口 允许用 一根串行总线控制多达八个器件 土壤湿度也叫土壤含水量 是以每单位体积 或每单位质量 潮湿土壤所含水 的体积 或质量 表示的 通常用百分数表示 其测量方法 包括烘干称重法 张 力计法 电阻法 中子法 辐射法 驻波比法 时域反射法及光学法等 已有几 十种 湿度传感器是利用湿敏电阻的阻值随湿度的变化而变化这一特性来测量含水 量 系统中选择湿度传感器时要考虑到土壤这个特殊基质 一般的空气湿度传感器 不能用于土壤检 必须选用土壤专用的传感器 目前市场上难买到简单成本的数字 万方数据 基于物联网的家庭园艺智能养护系统研究 32 土壤湿度传感器模块 本系统中选用模拟土壤湿度传感器 yl 69 通过 ad 转换和校 准再嵌入系统 能较好的测出土壤湿度 4 2 采集端 pcb 电路设计 采集端电路设计主要包括供电模块 湿度采集模块 光强采集模块 温度采集 模块和数据处理模块 如图 4 1 所示 图 4 1 采集端 pcb 板 a pcb 设计图 b pcb 写板样品 c pcb 板及器件 figure 4 1 pcb of collection terminal a pcb blue print b pcb sample c welded pcb 4 3 采集端软件设计 采集端软件设计相对于控制端较为简单 只要实现在接收到上位机采集命令之 后地上传信息则可 主要通过对单片机进行 c51 编程来实现 包括怎么识