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掌上花卉生态系统设计
发布时间:2018-4-9  作者:杜 茜 何代毅  来源:《中国高新科技》杂志  浏览量:1170
摘要:科学技术应用于生产是学术研究的重要课题。随着经济的发展和产业结构的变化,花卉种植在种植业中逐渐显现蓬勃增长趋势。花卉生长环境的苛刻使得当前的花卉种植业急需一种科学便利高效的生产方法。掌上花卉生态系统采用物联网技术、嵌入式技术、无线传感器网络技术以及智能手机客户端相结合的方法,实现了花卉生长环境的智能监测、自动化处理与远程操控。 关键词:掌上花卉生态系统;嵌入式技术;ZigBee;智能手机客户端;智能化监测

随着我国经济的快速发展,人们生活水平的提高,对于花卉的需求与日俱增。花卉种植具有劳动密集、资金密集和技术密集“三密合一”的特点,是集经济效益、社会效益和生态效益“三效合一”的绿色朝阳产业。虽然我国花卉产业经过多年发展已经奠定了良好的基础,但与其他国家或产业相比还存在较大差距。目前,我国是世界第一花卉种植大国,但远非花卉种植强国,存在产业结构不合理、规模小、质量差、效益小、经营管理水平较差等诸多问题。因此,科学高效的种植培育技术不可或缺。

1 系统方案

1.1 系统结构

1.1.1 系统虚拟结构图

掌上花卉生态系统主要由3个模块组成,如图1所示。


1.2 系统分析

系统方案由3个模块组成,分别是ARM Cortex-A9控制平台模块,ZigBee及传感器模块,智能手机客户端模块。ZigBee及传感器模块主要由采集节点和控制节点构成,采集节点通过各个传感器采集花卉种植中的各个环境参数,控制节点连接花卉生长中的一些控制设备;ARM Cortex-A9控制平台模块是信息传递和处理中心,主控平台实时解析ZigBee网关发送的数据包并显示在相应的位置上,并实时对环境数据做出分析,如实时环境数据与预设值存在差距,则启动相应的控制设备。手机客户端接收主控平台转发含有环境信息的数据包,解析、显示和远程控制。

1.3 系统特色

1.3.1 智能监测功能

ZigBee及传感器模块通过ZigBee节点的自组网,环境信息的采集,数据包的发送,主控制平台数据包的解析,网络数据包的发送,手机客户端数据包的解析等过程来完成数据信息的传递。各个过程遵循着相互不同的通信协议,彼此之间互不干扰,井然有序,安全高效,真正实现了花卉生长大棚内环境数据的智能监测。

图2 主控平台实时监测界面和预设参数界面   3 主控平台预设参数界面


1.3.2 远程操控功能

载有基于ARM Cortex-A9内核的智能控制平台拥有超强的处理能力,不仅对于网关发送的数据包做到精准实时解析,且不会发生数据的阻塞,更具特色的是通过智能控制平台还可以将数据通过局域网的传输传给远程的路由器,智能手机客户端通过路由器的信号实时查看花卉的生长环境参数,通过摄像头的画面掌握花卉的生长状况,便于用户做出科学的决策。

1.3.3 自动化处理

通过科学的数据分析,掌握花卉各个时段最佳的生长环境参数,可以通过主控平台的客户端和手机客户端预设花卉每个时段的最佳的环境参数;主控平台通过传感节点采集的环境参数与预设的最佳环境生长参数进行数据分析,若实时的环境参数与预设的环境参数有着较大的差距,主控平台能够迅速做出反应,判断是否需要灌溉、排气及加热等。科学高效,极大地解放了我们的双手。

 

 图4 手机客户端界面

2 硬件设计

2.1 硬件总体设计

系统的下位机由主控制平台、基于CC2530芯片的ZigBee模块的各个数据的采集节点和控制节点、基于CC2530芯片的智能网关和远程的路由器组成。当用户按下通电按钮,系统的各个模块开始工作,ZigBee模块开始采集数据并上传到主控平台,主控平台收到数据后实时显示在UI界面上,并通过网线将数据传到远处的路由器,手机连上Wi-Fi信号即可在相应的客户端查看环境信息和调控控制设备。

2.2 主控平台部分

结合掌上花卉系统对硬件的具体要求:CPU必须具有较高的性能,功能要强大,功耗要低,能效比也要较高,并且能够保证系统长期稳定的工作。综合比较各个CPU的性能,其中Cortex-A9以高性价比和较高的时钟频率等优势满足掌上花卉生态系统的硬件要求。Exynos4412是Samsung公司推出的最新一款基于Cortex-A9内核、RISC指令集的32位四核处理器。它不仅解决了峰值性能的要求,而且大幅度降低了系统的功耗。

2.3 ZigBee模块部分

本系统采用德州仪器公司生产CC2530模块,内置增强型8位51单片机和RF收发器,具有片内256K的可编程Flash和8K的RAM;使用Z-Stack2007协议栈,TI Z-Stack自带的轮询操作系统OSAL,支持多任务处理。高效地处理接收与处理数据。含有丰富的I/O端口、内置温度传感器、串口、A/D和各种常用外围接口,便于拓展应用。无线通信符合IEEE802.15.4/ZigBee标准规范,频段范围2045M~2483.5MHz;无线数据传输速率约为20~250kb/s,通信距离在30~300m左右。采集节点主要有空气温湿度传感器采集节点,土壤温湿度传感器采集节点,二氧化碳浓度传感器采集节点,光照强度传感器采集节点,雨雪传感器采集节点。控制器件有植物生长灯、水泵、换气扇、加热器。

2.4 远程路由器模块

结合本系统的远程数据监测的特点,同时考虑成本的因素,选取市场上常用的TP-LINK路由器。此路由器工作稳定,信号穿透力好,安全性高,适用于大规模的复杂网络环境,具有良好的网络拓扑结构。

3 软件设计

3.1 软件规范设计

 

 

 

图5 后台服务

 

 

 

 

图6 数据提供者

3.2 客户端功能描述

客户端通过UDP网络通信协议与Cortex-A9控制平台通信,将主控平台发送数据显示在客户端界面上,同时客户端通过UDP传输协议向下位机发送特定的命令,下位机的主控平台程序会对这些数据进行解析,并将相应的操作通过命令发送给各个ZigBee控制节点。

4 结语

掌上花卉是一项综合性很强的系统工程,是花卉种植实现低耗、高效、优质、环保的有效途径,是世界花卉种植发展的新趋势,同时也为现代种植业的发展提供了一条光明之路。相比于现有的普通温室大棚存在的诸多种植问题,基于无线传感网络的掌上花卉生态系统更具发展潜力,具有高传输带宽、强抗干扰能力、高保密性和低功耗等优势。智能花卉种植取代传统花卉种植是种植业发展的必然,更符合我国的基本国情。基于Cortex-A9的掌上花卉生态系统可以促进种植发展方式的转变,不但可以最大限度地提高花卉种植生产力,而且是实现优质、高产、低耗和环保的可持续发展种植业的有效途径。

 

参考文献

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(作者杜茜系临沂大学信息科学与工程学院学生)

 

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