基于物联网控制技术的智能花卉养殖系统设计

基于物联网控制技术的智能花卉养殖系统设计摘要：时代在不断的进步，科技的发展永不止步。智能花卉栽培系统将单片机、花卉栽培和一个网络云平台相结合，通过设备对花卉栽培过程进行监控，实现对花卉生长环境的实时监控，以科技手段帮助人们进行花卉栽培。本设计包括四个模块：控制模块、显示模块、土壤监测模块、网络通信模块，对系统生长阶段的各种花卉状况和参数进行监测。当周围环境不利于植物生长时，客户端会给出提示，方便用户查询相关信息，使人们更加方便地调整花卉生长环境。关键词：OneNET；智能花卉养殖系统；传感器；单片机DesignofIntelligentFlowerBreedingSystemBasedonInternetofThingsControlTechnologyGaoHuilingSupervisor:LiuJia(SchoolofInformationTechnology,ShangqiuNormalUniversity,Shangqiu476000,China)Abstract：Theeraisinconstantprogress,thedevelopmentofscienceandtechnologyneverstop.IntelligentflowercultivationsystemcombinesSCM,flowercultivationandanetworkcloudplatformtomonitortheprocessofflowercultivationthroughequipmentandrealizereal-timemonitoringofthegrowthenvironmentofflowers,soastohelppeoplewithflowercultivationbymeansofscienceandtechnology.Thedesignconsistsoffourmodules:controlmodule,displaymodule,soilmonitoringmoduleandnetworkcommunicationmodule,whichcanmonitorvariousflowerconditionsandparametersinthegrowthstageofthesystem.Whenthesurroundingenvironmentisnotconducivetothegrowthofplants,theclientwillgiveaprompttofacilitateuserstoqueryrelevantinformation,sothatpeoplecanmoreeasilyadjustthegrowthenvironmentofflowers.Keywords:OneNET;Intelligentflowerculturesystem;Thesensor;Singlechipmicrocomputer.引言随着智能化设备的不断改进，人们的生活水平也逐渐提升，当物质生活达到一定的需求后，人们就开始追寻精神上的慰藉。在天然的情况中可以很好的放松自己的身体和精力。但同样的，为了生活人们要努力奋斗，导致人们没有很多的时间走进大自然。因此，在工作和休息的环境中养殖花卉成为了最好的解决方式。人们通过研究不同花卉的生长环境，用科技的手段实现了对花卉养殖的智能化监测，让人们不必再花费大量的心神在花卉的存活上。智能花卉养殖系统的出现是一个必然的结果。物联网技术的飞速发展给我们的生活带来了日新月异的变化，在本设计中，结合了传统的方式和现代科学技术，利用传感器网络[1]对花卉的成长环境进行了监控,将成长过程中的各种数据显示给人们，便于进行直观观察的同时又节约了人们的时间，花卉的成长也更有保障。1花卉养殖智能化的意义及现状1.1研究意义科技的进步伴随的是生活节奏的加快，这也就意味着人们的压力越来越大，亲近自然是一种很好的放松方式，养殖植物的过程能够将人们的思维从繁杂的琐事中解放。同时，植物白天可以将二氧化碳转换为氧气，可以改良室内的空气的质量。智能花卉养殖系统的研发使得在节省更多资源的同时也节省了种植人的精力和时间。本设计中使用温湿度传感器来监测花卉成长过程中各种数值的变化，当环境超出花卉生长最适宜的条件时，将信息上传，通过计算之后得到合理有效地解决方案，有效提高花卉的成活率。1.2国内外研究现状1.2.1国外智能花卉养殖的研究现状物联网技术的发展而言，国外相对领先于国内。近年来国外已经研发出了比较全面的花卉养殖系统，该系统装备了许多不同功能的传感器，因而也体现出了更多的功能，大大方便了用户。在英国，一个叫纳塔莉金的女生发现了一种智能花草养殖体系。花草养殖体系具备安置在花草养殖体系底部的湿度传感器和温度传感器。它们负责监测花草生长环境中各因素的变化。一旦成长环境的指标浮动出指定范围，花卉养殖系统就会发出警报指令，系统外设的指示灯相应亮起，告知用户对环境进行改变的方向。欧洲人曾研发过一种极具乐趣的智能花草养殖系统。他在该系统中加入了声音传感器，当附近有人时，它会通过发出不同的声音，表达出它此时的环境状态。这样的设计使得用户可以更方便照顾花草，方便用户调节适宜的生长环境。1.2.2国内智能花卉养殖的研究现状我国也是一个科技强国，而且仍在不停的成长之中。我国其实也出现过类似的装置，它可以实现自动浇水[2]，但是由于系统设计的不完善，所以在进行浇水使用时会有一定程度上的水的浪费，水资源的浪费会使周围形成积水的情况，也不能实现实时监测，同时用户也不能对花卉生长的环境信息进行查询，养殖者依旧要浪费大量的人力物力在监测和培养上。2智能花卉养殖系统的设计方案2.1智能花卉养殖系统的需求分析采用传统的方式种植花卉在浪费大量人力物力的同时，花卉的成活率仍旧不高，浇水的多少，什么时间浇水都是很难界定的。普通的智能养殖系统通常都是设定定时定量浇水[3]，没能考虑到天气的影响,如：阴雨天水汽蒸发较为缓慢，浇水周期应该延长或是减少浇水量，天气较热时，水汽蒸发加较为快速，周期是缩短还是加大浇水量都是很难确认的，所以人们依旧要花费大量的心神。因而可知，一款更智能的智能花草养殖体系的呈现是大势所趋。2.2系统性能分析Arduino是一个和其他的平台相比较来更为便捷灵活，方便上手的物联网的应用平台，它的受众十分广泛，可以满足不同的开发者的使用需求。此平台硬件的接入较为简略，没有复杂的请求，换句话说就是用户可以在接受少量要求的前提下，进入该平台进行使用。用户仅仅只需要在操作平台上按照提示将你所用的设备进行注册、登录，在完成操作后就可以使用全平台的服务。它的作用有：专网专号使用，可支持设备海量接入；可实现给不同需求的相同人以及相同需求的不同人提供服务；更安全地进行数据存储[4];终端设备可以实现实时监控等功能；还可以完成消息分发、能力输出以及运用算法分析数据。2.3系统设计的整体架构介绍这个系统的设计中的整体系统的框架[5]如图2.1所示。图2.1整体的系统框架图这个系统的步骤介绍：系统启动后，硬件设施里的传感器立刻开始采集周围环境里的信息，然后将采集到的信息传送到云平台，用户在登陆平台后可以自主查看花卉生长环境的各项参数。硬件设备包括了数据的感知和数据的处理两个部分；数据感知通俗来说就像是人体的器官感受到了外界的一些信息，收集这些信息，并将它发送回大脑的过程；数据的处理是借助云平台实现的，在硬件中，这个部分是一个相当于是人们身体上大脑的部分的信息处理器，它支配着着整个硬件使之能够正常运行，是硬件中不可或缺的一部分。它用特别的方式将传感器采集到的物理信息变成了数字信号。将硬件部分得到的数据保存起来，可以作为用户了解花卉情况的数据。网络传输可以理解为软硬件之间沟通的桥梁，它的存在让软硬件之间实现了信息交流沟通，其中涉及了许多技术。其中用户查看花卉生的长环境的信息是这个系统中极其关键的一部分，这是直面受众的部分，通过这一部分，用户可以简洁快速的了解花卉生长环境的各个因素，以及直观的了解到问题的处理方案。3智能花卉养殖系统中硬件部分3.1Arduino平台3.1.1Arduino平台介绍Arduino是一款灵活便携的、方便上手、同时包含软硬件部分的开源性的电子平台，它研发的时候采用的就是软硬件结合的思想，它的硬件部分里基本不需要再次进行绘制导线完成模块和电路板图；在它的软件部分中，编写的代码基本不涉及寄存器这一级别。它有着类似于Java和C[6]的处理/接线的开发环境。在使用Ardino的时候你只用把代码编写到它的软件部分，再通过软件部分上传到硬件部分就好了，操作十分的的简单。3.1.2Arduino开发板开发板使用的是以高通芯片为主的芯片，它目前包含6个模拟输入输出端口的引脚口和几个串行状态指示灯、6个可以当作输出端口的引脚口、具有复位的按钮以及USB端口、还有一个电源插孔。如图3.1所示，这是一个由中贝斯特官方提供的Arduino开发板的实物结构图。图3.1Arduino的开发板结构图Arduino开发板利用串口实现通信的。开发板中的USB端口有两个功效：一个是实现开发板与电脑之间的信息交换，另一个是作为开发板电源。通过这个USB端口，我们便可将代码上传到开发板。3.2传感器的主要工作原理传感器是将采集到的物理数据信息转换成电脑可以识别的数据的重要设备，转换后我们可以通过前端看到更加只管而清晰的数据分析。传感器的作用主要就在于检测，它把检测到的信息按照某种方式传输出去。现如今有许多的传感器，大小、功能各不相同。形象点说，传感器就像是人们的器官，将感知到的虚的东西以另一种姿态呈现出来。本设计中主要用到温湿度传感器、土壤湿度传感器、光传感器收集花卉在生长过程中所处的环境中的各项数据。3.2.1温湿度传感器的介绍以及工作原理在花草生长的各个阶段，其所在环境的温湿度起着很大的作用。就像很多植物的种子，只有春天的温度才能发芽。适宜的温度和水分是植物生长的必要因素。这个系统的设计中温度和湿度是两个很重要的参数，所以在系统设计中选择了复合型的温湿度传感器。这款传感器在对温度信息采集的同时，也可以实现对空气湿度的信息采集。相比于传统的传感器，这款传感器结合了温湿度传感技术进行信息采集，更加可靠稳定。把它和一个8位的单片机进行链接；有着性价比高、抗干扰力强、响应速度快等诸多的优点。他使用单线串行口为主要串口输出技术，使得他在系统集成方面有很大优势。如图3.2是数字温湿度传感器[8]的电路图，图3.3是温湿度传感器的产品的实物图，图3.4，展示的是温湿度传感器的工作原理图。图3.2数字温湿度传感器的原理电路图图3.3温湿度传感器的实物展示图3.2.2土壤湿度传感器的介绍和工作原理养殖植物和教书育人是一样的都尊尚过犹不及的道理。不同的植物对水分的吸收有不同的极限值。像多肉植物的养殖过程就需要减少浇水量，过多的水分反而会促进它的死亡；但是养殖荷花时，就要保证它的根部浸泡在充足的水分里。陆地上生长的植物要控制它的水分，当你给一个陆地植物浇了过多的水的时候水分会先渗透进土壤里，植物在吸水饱和后就拒绝吸收水分。剩余的水浸在土壤里，使得土壤湿度增大，长时间的处于高湿润的土壤环境会使它的根部腐烂。没有了从土壤中吸取水分和营养的根部。植物会很快枯萎。但是反过来说，如果陆地植物你没有给他浇够足够的水分。它就没有办法通过，更不在土壤中吸收生存所需要的水分。当发生了旱灾或者洪灾的时候，农作物都会面临大部分减产，适宜的温湿度是农作物生长的必要条件。所以说我们要分清每种植物它所适宜的环境。在这个系统中我们除了采用温湿度传感器之外也采用了一款土壤的温湿度传感器。它通过对土壤水分进行检测。反馈出土壤湿度值。让我们可以得到准确的土壤湿度数据信息。另外我们可以用电动的办法来提高导电能力。这样也大大的提高了传感器的使用寿命。让他可以在土壤中长期存放，但不生锈。如图3.5，为这个传感器的原理电路图；图3.6，是55769土壤湿度传感器实物展示图。图3.5土壤湿度传感器原理电路图图3.6土壤湿度传感器实物展示图此土壤湿度传感器的探头采用了电镀处理，这种工艺可以提高探头导电性能。如图3.7图3.7土壤湿度传感器结构图3.3硬件系统的设计实现3.3.1Arduino开发环境简介Arduino作为一个灵活便捷的，方便上手、开源的电子平台，在许多优秀开发人员的共同努力下变得越来越完善和高效。是这个系统中性价比最高的产品。Arduino[9]是开发板的集成环境，是一个拥有跨平台特性的开发环境，可以在Windows、MacintoshOSX、Linux系统上运行，其他的控制器绝大部分只能在Windows上运行。而且，在这一个追源的时代，是完全不收费的，由于这些原因，Arduino被越来越多的人接受。在需要使用Ardino的时候，我们只需要找到它的官网，常规进行下载就可以；启动它的程序会发现Ardino会自己编写关键函数，超级适合不太精通编程的人使用。如图3.8所示。图3.8Arduino开发界面Arduino的软件界面包括四部分，简单明了。写完代码后进行编译，成功则如图3.9所示，成功之后将代码上传到相匹配的开发板，成功则如图3.10所示。图3.9编译成功的界面图3.10上传成功的界面3.3.2智能化会养殖系统程序设计方案这个系统中中目标编程较为简单，在该代码中，有三个核心关键的技术节点。图图3.11硬件系统使用流程图图3.12硬件系统的实体图PAGE4通信系统的主要设计4.1Lora通信技术的简介和现状4.1.1Lora技术的简介物联网通俗来说就是把物体连接起来形成一个网络，人们通过这个网络可以对物体下达一些指令，或者是可以帮助人们更好地生产生活。所以物联网概念的提出在快节奏的如今是顺应大势。各国软、硬件水平的一再提高，让智能化的产品逐渐渗透进我们生活的的方方面面。物联网技术发展所需要克服的瓶颈是产品的功耗和通信距离。物联网技术刚提出的时候，当时国内外并没有可以实现这个概念的软硬件。当时还只是一个模糊的概念，并没有一个完整的理论体系。只能使用短距离通信等通信技术，能量流失严重，使得通信距离上有着很大的限制；相关产品的续航能力差使得产品的性价比很低。所以这是物联网发展史上的两大拦路虎。4.1.2Lora的使用现状Lora刚一研发出来就受到了来自不同行业使用者的肯定和高度认同，作为一项新兴的技术，它的研发无疑是非常成功的。人们同时还肯定了它在实施方面的创新性。如:智慧医疗，智能出行等都可以看到它的影子。Lora在国外不断完善，市场不断扩大，所表现出来的就是对它的大量应用。在中国，阿里巴巴的一个分公司实现了一个RFID物联网平台的布置。与此同时，工业界也有越来越多的产品以Lora为基础进行生产。如：中央空调管理系统、门禁系统等。学术界的研究人员对Lora也有着很深的研究，并以此为基础进行了一系列智能化系统的研究和设计，并且还在逐步深入。4.2设计实现部分4.2.1嵌入式网关的介绍嵌入式网关是硬件和服务器之间交换信息的媒介，所以，启动数据传输和实现数据的转发是它最基本的功能。在这个系统设计实现的过程中，笔记本可以作为嵌入式网关这个沟通媒介，因为笔记本电脑可以联网，也可以执行Python，它本身又比较容易进行结构的调试和界面开发。4.2.2智能花卉养殖系统的程序设计思路嵌入式网关主要作用在启动数据传输和实现数据的转发，没有传送代码的功能，所以在本系统的设计中，用Python开发了一个从事数据转发的代码。Python语言由于其简单的语法，丰富的资源，迅速的被人们所接受。在这个系统中，嵌入式网关主要负责三个部分：一是读取传感器采集到的信息，二是把信息发送到云平台并让它以表格形式进行显示；三是将数据转存到云数据库，让使用的人可以轻松访问。图4.1是设计的流程图。图就好像你买东西要先看封面，系统的门面通常由软件表现出来，一个软件设计的好与不好，直接影响着使用者的体验，只有客户用着好，才能继续使用甚至是代为推广。但是，软件的设计也要考虑到大多数用户使用的设备是否可以运行该软件。如果你开发一款版本高的大多数用户都不能使用的软件，那么它就失去了市场竞争力，也会让用户有个糟糕的体验。为了让用户有好的体验，应该开发的是更适合主流的软件系统。所以，微信小程序、手机软件以及网页都是开发的方向。5软件系统的实现5.1软件系统所涉及的技术5.1.1HTML5的技术简介HTML5草案是在2004年由网页超文本应用技术工作小组提出的。在三年后，W3C的认可了HTML5草案，并成立了新的HTML团队。和以前的版本比较，并没有很大的变化，如：在浏览的兼容方面做了较大的优化目前，很多网页平台都支持HTML5的技术。5.1.2介绍JavaScript技术JavaScript[10]是一门高级的、多范式、解释型的编程语言。它是为了解决表单验证而被研发的。但是，随着技术的不断进步，JavaScript开发出了其他的功能，而不仅仅是用于表单验证了。5.2设计搭建服务器5.2.1服务器的环境搭建在这个系统中，使用的人可先在官网上找到所需要的软件的下载地址，点击下载后按照系统提示完成安装，紧接着，打开软件，检查下载下来的软件是不是搭建服务器环境所需要的的版本。完成这些之后，就可以直接开始编写所要用到的代码，直接开始搭建服务器的环境。完成node和sails软件的安装以及检查能否运行后，就可以放手进行服务器环境的创建，完成系统的设计思路。当服务器的环境编写完毕后，就可以着手启动服务器了。图5.1、5.2是两个软件的安装成功的显示，图5.3是表示搭建的服务器启动成功了。图5.1node安装成功的界面图5.2sails安装成功的界面图5.3服务器成功启动的界面5.2.2数据库中传感器信息存储表的设计在这个系统中，所有的传感器都有自己专门的信息存储的表格，让它们检测到的信息在数据库中进行保存。表5-1土壤湿度监测数据表编号字段名字段类型字段说明备注1idintRecordnumberPrimarykey,automaticgrowth2SoilvaluedoubleSoilmoisture3TimeDateVarchar(255)Acquisitiontime表5-2空气温度监测数据表编号字段名字段类型字段说明备注1idintRecordnumberPrimarykey,automaticgrowth2TempvaluedoubleAirtemperature3TimeDateVarchar(255)Acquisitiontime这个系统当中包含的表的结构都比较简单，传感器采集到信息后，将信息与采集时间一同上传到上一级，所以网关中显示的时间是传感器采集到该信息的时间。把传感器每次传送到网关的信息收录到数据库中，将会作为以后对花卉情况进行分析的依据。图5.4是传感器采集到的信息和时间在数据库中的显示。图5.4mysql中传感器收集到的数据及对应的时间5.3系统客户端的设计与实现5.3.1系统的客户端介绍部分随着技术的飞速发展，多极化的出现是一个必然的趋势，相对应智能产品和用户端也在逐渐走向多极化，人们会倾向于选择更为方便的产品。选择终端移动平台，将会有更大的市场，即更容易被人们所接受。所以，本论文设计选择了微信小程序以及电脑网页版进行开发设计。不同平台开发出的客户端，功能也有所不同，但是都有着自己的亮点。小程序的优点在于可以获取传感器采集到的信息的记录并以容易理解的方式展示出来。电脑网页版则可以实现实时监测，并表示出来。如图5.5是微程序所显示数据的界面，5.6是web网页显示数据的界面。图5.5微信小程序客户端图5.6OneNETweb端5.3.2基于微信小程序的平台设计微程序的开发过程需要一个程序密钥，为了获得这个程序密钥，需要先进行实名认证。完成实名认证后在官网上寻找、下载开发工具，按提示进行安装。5.7，是用户使用微信小程序的操作流程图。图5.7微信小程序的操作流程5.3.3基于OneNET云平台的设计借助中国移动的OneNET平台可以帮助开发者们更快更有效的完成产品的开发。本设计。OneNET这个平台对于广大使用者异常友好，可以将上传到平台的数据信息转换为用文本、图表和仪表盘等进行显示。6系统详细设计6.1前端部分6.1.1首页设计首页是一个网站的门面，所有的功能模块的起始点都在主页面。它要体现出设计效果该程序的主题，要涉及到该程序所含的所有模块，即有该系统各个分支部分的入口。各个入口之间的排版应该合理，网页顶头用网上花店配合图案设计明确突出网站主题，下设一行按钮首页、新品、查看订单等，再往下左侧部分上部为用户登陆注册区，下面是花房公告区域，可以通过点击查看该网上花店的公告。右侧部分为通知区域，展示上新产品或花店活动公告。同时只有登陆后才能浏览花卉的具体信息以及进行加入购物车、购买/查看订单等操作。如图6.1、6.2所示。图6.1首页设计效果图图6.2首页设计运行图6.1.2账号功能设计利用action后面跟着的属性映射到MemberActions来调用相应的方法来完成操作。用户可以通过输入正确的用户名和对应密码的操作从首页的登录窗口进行登录。没有该店账号的用户则需要点击注册按钮，根据网页提示进行填写信息、设置密码并提交后等待审核通过一系列操作得到属于自己的账号密码，然后返回首页填写正确的用户名和密码进行登录。当用户登录成功后，便可以查看自己以前在本网站消费的所有记录。用户成功登录后可对自己后台存储的信息、支付密码等进行修改，修改之后提交到后台就可以更新自己的信息。修改完成后登录模块的设计效果和登录模块的运行效果如图6.3、6.4：图6.3登录模块设计的效果图图6.4登录模块的运行效果图6.1.3浏览功能设计同账户操作一样，浏览功能只是对商品（鲜花）的其中一种最简单的操作。在浏览的过程中，我们可以看到商品的图片、名称、单价以及商品的一些详细信息，通过调用GoodsActions中的方法来完成。商品详情设计效果和商品浏览运行效果分别如图6.5和图6.6所示：图6.5商品详情设计效果图图6.6商品浏览运行效果图6.1.4订单功能设计同理可知道订单对应的OrderActions来处理所有与订单有关的操作。查询自己以前的订单。下单时可以将看好的商品先加入购物车，最后再统一付款，也可以把一些过后不太喜欢的从购物车中清除。同时，在付款前用户也可以申请撤销订单，用户可以购物车设计效果和购物车运行效果分别如图6.7和图6.8所示：图6.7购物车设计效果图：图6.8购物车运行效果图6.2后台部分设计6.2.1管理员后台登录管理员通过正确的用户名和密码登陆到后台系统。管理者成功登陆后台系统后，拥有对商品信息、会员信息、接收到的订单和店铺的公告等进行管理的权限。也可以修改自己管理员账号的基本信息。管理员登录设计效果和管理员登录运行效果分别如图6.9和图6.10所示：图6.9管理员登录设计效果图图6.10管理员登录运行效果图6.2.2商品（花卉）管理管理员成功登录后在系统上可以对商品的信息进行管理。如：是否参与特价活动或是一些节日活动的优惠。同时，管理员也要监测好商品的库存以及信息是否填写错误，商品管理设计效果和商品管理运行效果分别如图6.11和图6.12所示：图6.11商品管理设计效果图图6.12商品管理运行效果图6.2.3用户会员管理管理员成功登录后有对用户会员进行管理的权限。如：可以查看会员的基本信息、会员等级等，同时，管理员可以添加或是删除会员，也可以修改会员信息，更迭会员等级等，但要遵循一定的规章制度。会员管理设计效果和会员管理运行效果分别如图6.13和图6.14所示：图6.13会员管理设计效果图图6.14会员管理运行效果图6.2.4后台管理员管理在管理员使用正确的用户名和密码登录后台系统时，可以看到管理员的账号、姓名、编号等基本信息。可以添加、删除管理员或者是修改管理员的信息。管理员管理设计效果和管理员管理运行效果分别如图6.15和图6.16所示：图6.15管理员管理设计效果图图6.16管理员管理运行效果图6.2.5订单管理在后台进行订单管理时，可以看到订单的编号，定货人的真实姓名，下单的时间以及是否进行了其它的操作。当然，管理员也可以查阅到订单的详细信息。订单管理设计效果和订单管理运行效果分别如图6.17和图6.18所示：图6.17订单管理设计效果图图6.18订单管理运行效果图7测试与维护7.1测试的目标测试的目的是为了发现程序中的错误，看网站是否能正常运行，以及能否达到预期的目标。7.2测试方案测试方案的设计是此阶段的重要技术问题。测试方案的目的以及意义就在于发现错误，所以要用可能会或者说是高概率发生错误的部分进行测试。7.3测试过程这里选用用户登陆后台部分对模块测试进行描述如表7-1所示：表7-1用户登陆测试表测试目的测试步骤举例说明预期结果实际结果结论测试使用错误的方法能否成功登录账号用户使用正确密码登录已存在账号账号：123456密码：098765窗口提示“登陆成功”进入首页窗口提示“登陆成功”，进入首页实际结果与预期结果一致，测试成功用户使用错误密码登录已存在账号账号：123456密码：345678窗口提示“用户名或密码错误！”，回到登录界面窗口提示“用户名或密码错误！”，回到登录界面实际结果与预期结果一致，测试成功用户使用正确密码登录不存在账号账号：234567密码：098765窗口提示“用户名或密码错误！”，回到登录界面窗口提示“用户名或密码错误！”，跳转返回登录界面实际结果与预期结果一致，测试成功用户使