1、2013 年物联网创新与工程应用设计大赛参赛作品文档参赛作品名称：_家庭净化智能养植系统_ 学 校 天津农学院 学 院 计算机科学与信息工程系 团队名称 绿源队 指导教师 卢文 于娜 参赛成员 李振东 宋泽文 赵华琼 目录目录 .2一、2013 年物联网创新与工程应用设计大赛登记表 1二、作品文档方案部分 .21.方案概述 22 方案创新点与难点 .83 系统实现原理 .94 硬件设计 .125 软件设计 .136 系统测试及结果 .177.程序源代码 20三、作品提交 .221. 使用手册 222. 作品展示 233. 作品文档方案 26一、2013 年物联网创新与工程应用设计大赛登记表题目
2、 家庭净化智能养植系统学校及学院 天津农学院 计算机科学与信息工程系学生姓名 1 李振东 专业班级 计算机科学 联系方式 13752414104学生姓名 2 宋泽文 专业班级 计算机科学 联系方式 15822846769学生姓名 3 赵华琼 专业班级 计算机科学 联系方式 15122192885指导教师 卢文 于娜作品关键词 养花 智能 绿化 净化 健康 家居 自动窗 浇灌设备 自动窗帘 作品摘要近年来，随着家庭生活质量的提高，越来越多的人选择在家中养花。由于植物的光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，不仅对人的身体健康有益处，而且还能通过过滤净化来保持室内空气的质量。本系统利用了湿度传感器采集植物
3、土壤的湿度并获取数值来传送到上位机，通过与正常土壤的湿度值作比较，来判断是否应该对植物实施浇水，如需浇水，则自动控制浇灌设备对植物的土壤进行灌溉，维持植物的生长。此外还通过无线传感系统采集室外光照强度和室内温度，并通过协调器将信号传至上位机，根据光照强度和温度信号对扩展模块进行控制，进而自动调控室内窗户的开度，改善室内光线强弱来维持植物所需的正常光照，并达到自然升降温等作用。 为了体现智能家居的优势，此作品还增加了利用定时器控制窗帘和吊灯的功能，给予人们极大的便利。主要参考文献1周洪波 著；物联网：技术、应用、标准和商业模式；电子工业出版社，20102邹生，何新华 编著；物流信息化与物联网建设
4、；电子工业出版社，2010 3吴功宜 编著；智慧的物联网感知中国和世界的技术 ；机械工业出版社，20104杨清梅 传感器与测试技术M.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2005二、作品文档方案部分1.方案概述1.1 背景近年来，随着家庭生活质量的提高，越来越多的人选择在家中养花。由于植物的光合作用吸收二氧化碳，释放氧气，不仅对人的身体健康有益处，而且还能通过过滤净化来保持室内空气的质量。具体的优点如下：1.可以美化家庭环境，增添生活情趣。如果在阳台上，庭院里，居室里，客厅、书斋内，摆上几盆花卉，栽植一些花草，不仅可以为美满的家庭增添色彩，也能使家庭环境更加优美。2.可以调节精神，消除疲劳。当我们看
5、见家里那摇曳多姿的植物，问着透人心脾的芳香，就会感到赏心悦目，会感到大脑松弛疲劳顿消。3.有利于祛病强身，增强体质为了养花就得付出一定的劳动，这些劳动，有利于伸展筋骨，活络血脉。而且，许多花卉还是我国宝贵的中医药材。 。4.城市绿化的一个重要的组成部分家庭绿化可以补充城市绿化，美化环境，净化空气，减少污染。如果把有条件养花栽树的家家户户都动员起来，利用一切可以利用地阳台、院子、平台、居室，进行种花栽树，可以减少环境污染。但是现今社会，大多数人的生活是非常忙碌的，早晨很早就出了家门，夜里很晚才归宿。时常会忘记对家中花的保养；如定期浇水，定时开窗透光，时常给花朵修剪等等。并且还考虑到有些家庭只有老
6、人居住，更需要室内新鲜的空气和充足的光照来供给，但由于行动上的不方便，老人可能不会时常的对植物进行定期保养。这些种种的不便因素致使很多家庭中盆花的寿命都很短，养了一段时间就频频死亡。本系统通过无线传感系统采集室外光照强度和室内温度，并通过协调器将信号传至上位机，根据光照强度信号对扩展模块进行控制，进而自动调控室内窗户的开度，改善室内光线强弱来维持植物所需的正常光照，并达到自动升降温等作用。此外还利用了湿度传感器采集植物土壤的湿度并获取数值来传送到上位机，通过与正常土壤的湿度值作比较，来判断是否应该对花实施浇水，如需浇水，则自动控制浇灌设备对植物的土壤进行灌溉，维持植物的生长。不止如此，此系统还
7、设计了不同天气场景下的灵活应变功能。例如:晴天时，会自动开启窗户，让植物沐浴阳光，还可以达到室内杀菌的作用。而雨天时，窗户会自动关闭，以防止室内漏雨且保护了植物。另一个突显的优点是能实现节水功能，具体做法是在室外放置蓄水器，当雨天时会自动进行蓄水以供晴天时水源的供应。由于雨水中含有天然的矿物质和其他化学元素，这使得植物更能健康迅速的生长。此外还增加了其他的一些实用功能，如：通过时间的设定，自动控制窗帘的开合和吊灯的亮灭，给予家庭全自动化的应用，给人们的生活带来极大地便利。1.2 应用领域1.2.1 智能家居图1-1 智能家居本系统的一个重要的应用领域是智能家居。经过多年的需求累积，智能家居的概
8、念已经逐渐走入普通百姓的生活。智能家居利用计算机、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将与家居生活有关的各种子系统有机地组合成一个系统。智能家居的技术可分为有线方式和无线方式。有线方式所有的控制信号必须通过有线方式连接，控制器端的信号线更是多得吓人，一旦遇到问题排查也相当困难。有线方式缺点非常突出，布线繁杂、工作量大、成本高、维护困难、不易组网。这些缺点最终导致有线方式的智能家居只停留在概念和试点阶段，无法大规模推广。而物联网内在的ZigBee技术在智能家居的应用领域有很大的融合性，在这样的情况与需求下，物联网无线方式在智能家居领域得到了高度的重视和有效的应用。另一方面，紧扣目前主唱的绿色
9、节能、和谐人居的主题，满足居民生活更加自然、原理污染的需求，自动调节室内的通风状况和温度，改善室内环境舒适度也无疑成为了智能家居的一个重要方面，自动窗的设计也紧跟形势，快步发展。1.2.2 公共场所采集节点的设计集无线通信模块、温湿度传感器、供电模块于一体，使用直插电源插头，使该系统在公共场所的应用更加方便。一方面，免去了繁琐的布线环节，在很大程度上消除了安全隐患，同时不必定期更换电池，不必顾及电池使用寿命问题，既方便又经济；另一方面，采集节点只要封装好固定在电源插头上即可工作，不易损坏，不影响公共场所的正常活动，便于管理与保护，即使某一节点出现故障也不会影响整个网络的工作，在公共场所应用起来
10、更加方面、安全。此外，本系统的自动窗也是应用于公共场所的一大亮点。中国国家图书馆的顶窗就是应用的自动窗技术，根据光照情况自动调节顶窗的开度，从而调节室内的光线情况。将本系统应用于商场等公共场所，可以根据室内的温湿度自动进行窗户开度的调节，既调节了室内的光线情况，环保节能，同时也保证了公共场所的通风状况，在很大程度上减少了公共场所的火灾隐患。1.3 国内外研究现状1.3.1 国内物联网与无线传感技术的发展与应用现状图1-2 物联网及其技术物联网与无线传感技术在我国都已取得了一定程度的发展与应用。现已广泛生产并已投入市场的热量表就是物联网应用的实例。如空气温湿度、风向风速、光照强度等等。目前，无线
11、传感器网络在大规模温室等农业设施中的应用是世界各国都在研究的应用问题，也已经取得了很好的进展。智能家居作为近几年新兴产业，现如今已在国内外有了很大程度的发展，随着人们对生活质量的要求不断提高，智能家居已逐渐为人们所接受，在国外已有普及推广之势，在国内也开始得到较大范围的发展。据了解，全球自动化控制技术的领导者霍尼韦尔日前联手北京家居装饰行业领导企业之一的元洲装饰特别推出的易安装、易使用、易维护的HRIS1000 系列智能家居系统在别墅中的设计和应用以及它所能带来的安全、舒适、节能的高品质生活享受。这充分说明，智能家居已经开始进入中国市场。1.3.2 国内自动窗及浇灌设备的发展与现状开窗换气不仅
12、能够稀释室内空气中的病菌量，阳光还可直接照入室内，阳光中的紫外线具有消毒杀菌、杀病毒的作用。因此，要保持室内空气的清新，最直接也是最好的方法就是使居室可随时保持良好的自然通风条件。发达国家如日本，其建筑标准就要求房间力求24 小时保持自然通风。随着技术的不断进步和提高，同时受室内净高、造价、噪声、美观等因素的限制，今后住宅将很少选用新风输送设备系统。而亲近自然、自动开启、窗停即锁、美观可靠、具有多种智能控制功能、性价比优良的自动窗，将能最大限度满足建筑物居室的便利通风、智能化控制的要求。至于农业方面，温室大棚离不开浇灌设备的使用，而人工进行浇灌培养将会耗费很大的人力物力。进而出现了全自动浇水系
13、统，一方面节省了相当大的人力资源，而且还能节省相当一部分的水资源。给农业的发展提供了很大的帮助与促进。图1-3 温室大棚1.4 功能描述本系统功能为简便无线温湿度光照检测与自动窗和浇灌设备的反馈。将无线节点模块进行设计，直接插入家用电插销便可应用通信，便于物联网的家庭化应用。此外，将温湿度测试模块竖起，有利于更好的测量室内温湿度，极大地减少了电路本身产热的干扰。鉴于节能环保、自然健康的理念，本队采用自动窗作为反馈系统，根据室内不同的温湿度和光照度，达到相应的开关窗自动控制。根据白天与夜晚的温度差和光线明暗的显著区别从而更精确地控制自动窗的使用，以便给予植物更健康的成长环境，也能给人带来舒适的休
14、息环境。整体系统达到无线监控温湿度光照和智能养花的功能白天通过自动开窗通风透光，达到室内舒适的植物健康生长的效果。夜晚通过系统检测居民家中温度，自动关闭窗户，并利用定时系统控制窗帘的开合状态。调节室内温度，达到舒适睡眠。图1-4 功能简图1.5 技术指标进行网状网通信，将节点放置于各个房间，50 米之内可点对点通信；抗干扰性强，各节点对之间未出现串扰现象；自动窗可以达到2cm/s 的速度，进行自动运动。浇灌设备可以自动选择土壤干涸的植物，实施浇水。窗帘根据已设定的清晨起床时间和夜晚睡眠时间，自动进行打开与关闭。吊灯会在深夜时自动开启，给予植物微量的光照和温度，而白天自动关闭。2 方案创新点与难
15、点2.1 创新点：1、调控机理创新（1）传感系统与自动窗系统结合；（2）无线控制系统与浇灌设备结合(3)采集节点与土壤完美结合（4）以光照度和温度为调控自动窗标准；（5）以湿度强度作为调控灌溉设备标准(6)根据设定的时间，对窗帘进行拉合与展开2、调控窗户的开合程度，利用自然风改善室内空气质量和光线强度；3 吊灯与室内光照明暗程度完美的结合。4、即插即用的硬件设计，更加便利；5、良好的结合性、扩展性，可与市场上的各类智能窗机械系统结合，扩展使用功能。2.2 难点：1、变更了硬件底层设计，通信方面有所变更，需要在底层的软件设计方面有所调整；2、上位机通过对温湿度的数据判断来控制输出电压模块，需要变
16、更控制平台的应用层程序。3、窗体的自动开关需要控制直流电机与窗户的良好组合实现。4、各种元器件需要和继电器稳定的连接，电压保持恒定。3 系统实现原理3.1 功能框图G P I O 模 块 控 制 与各 个 元 器 件 相 连使 其 正 常 运 转路 由 器 负 责 采集 节 点 与 网管 、 上 位 机 之间 的 相 互 通 信自 动 吊 灯上 位 机 控 制 平 台 根据 温 湿 度 光 照 节 点信 息 发 出 控 制 信 号电 压 输 出 节 点根 据 上 位 机 的控 制 信 号 给 出相 应 的 输 出继 电 器 与 电 压输 出 节 点 相 连传 送 G P I O 稳 定的 电
17、流M 4 网 关 负 责 传送 控 制 信 号 与 采集 信 息定 时 器 控 制电 器 件 的 运行 时 间通 过 电 压 输 出大 小 调 控 自 动窗 及 窗 帘 的 开合 程 度 和 以 及吊 灯 的 明 暗 程度自 动 窗自 动 浇 灌 设备自 动 窗 帘温 度 采 集点协 调 器 汇集 节 点 信息温 度 采 集节 点湿 度 采 集点中 间 件 服 务图3-1 系统整体流程图3.2 各部分详细描述温湿度光照采集节点：温湿度光照采集结点是温湿度光照信息的直接采集终端。温湿度探头SH10 直接使用 IIC 接口进行控制，IIC 接口将同时温湿度传感器设备，将采用IIC 设备地址的方式进
18、行区分。使用 1012bit 的AD 采集器进行光敏信号采集，使用专用温湿度光照传感器(IIC 接口)进行温湿度光照信号采集。一次采样使用 2 字节描述，MSB 方式。温湿度光照节点携带温湿度光照信息通过无线通信协议与协调器进行数据通信，将采集来的信息送达协调器终端。协调器：协调器是一个设备，输出的是串口数据。协调器设备需要连接到Niagara 服务，以进行数据通讯。协调器连结终端设备组建ZigBee 网络，它作为父级设备将有限的终端设备连接和参与到网络中，与网络保持通讯。网络中协调器负责网络的建立和维护外，还负责与上位机进行通信，包括向上位机发送数据和接收上位机的数据并无线转发给下面各个节点
19、。协调器对应的工程文件为 CollectorEB。终端设备主要根据协调器发送的命令来执行数据采集或控制被控对象。终端设备对应的工程文件为 SensorEB。一般选择智能电源板模块或者带有RS232 的普通电源板模块作为协调器终端。物联网中间件：为了更好地管理和监控 ZigBee 无线网络，通过“串口-网口”转换器，将物联网传感层所实现对各种物理量的传感采集和反馈控制，以物联网中间件（Niagara）方式提供给 PC机不同形式的上层应用程序。Niagara 是一个以 Windows 系统服务形式存在的服务程序，目的在于将不同的应用项目集中到统一的软件平台中。所有的设备及上层应用都通过网络连接到
20、Niagara，并通过 Niagara 进行通信。最终连接到 Niagara 的是无线网,如果是非以太网接口的设备则需要相应的适配器转换成网络接口。比如在无线传感器网的应用中，协调器是一个设备，但输出的是串口数据，需要经过一个“串口-网口”转换器连接到 Niagara。设备与 Niagara 之间的通讯必须按照一定的协议和流程,总的来说设备的通信过程分两个阶段。第一阶段是与中间服务的通讯,这个阶段是设备主要是与中间服务建立连接并完成设备类型的识别以及一些通讯参数的初始化,第一阶段完成后进入第二阶段,第二阶段需要有上层应用的配合,如果有上层应用也连接到服务,则设备开始通过服务与上层应用进行应用级
21、的通讯,此时服务扮演的角色变为数据转发器，协调上层应用和设备之间的通讯，不对数据进行处理。上位机：上位机即用来进行操作控制的PC 机，主要功能是接受协调器发送的数据和向协调器发送数据从而控制终端设备。D/A电压输出模块：采用 IIC 接口的 DA 实现程控电压输出，电压输出 DA 芯片使用 TI 的“DAC5573”,缓冲放大运放使用 TLV2372。电压输出模块使用 1 个字节进行整体控制，使用 8 个字节数据。在本设计中，电压的输出受上位机的控制信号的控制。当温湿度达到某一设定值时，上位机控制电压输出模块输出高电平，小于该设定值时，电压输出低电平。图3-2 D/A电压模块1、图中红色标注“
22、CH0” 、 “CH1”分别为 DA 控制输出的 0 信道和 1 信道，“GND”为两个通道对应的地。2、DA 输出端的电压为直流 0-12V，输出驱动电流为 550uA 。GPIO模块：连接各种实体设备，通过内置的4个GPIO输出信道与继电器合电阻相连，从而控制设备所需的电压，对实体设备进行电流的输送，控制电器稳定运转。图3-3 GIIO与继电器连接试图自动窗系统：上位机控制电压输出模块输出高电平时，带动电动机转动，从而对窗户产生推拉作用，开度发生变化，达到实时调控室内温湿度和光线强弱的目的。自动浇花系统：上位机控制电压输出模块输出高电平时，带动浇灌设备，从而对喷壶设备进行开启，达到对植物进
23、行浇灌的目的。自动窗帘系统：上位机控制电压输出模块输出高电平时，带动窗帘，从而窗帘进行开启和关闭，达到睡眠的目的。自动吊灯系统：吊灯与GPIO模块相连，GPIO模块与继电器相连，通过给予继电器高低电平来控制吊灯的开关。4 硬件设计整体设计电路：图4-1 整体设计电路图5 软件设计5.1 算法描述通过对湿度的检测，进行自动浇灌。浇灌设备的运转主要由电压模块控制。当土壤的湿度小于某一特定值时，会自动对花进行浇灌，当土壤湿度大于某一特定的值时，停止浇水。通过对温湿度光照的检测，进行开关窗。窗户的运动主要由电压模块的输出电压值控制。经试验：当输出电压为10v 时，窗体进行最大速度运动；当输出电压为6v
24、 时，窗体进行最小速度运动；我们设定窗体运动速度和电压对应值如下：输出电压 运行速度6v 低速8v 中速10v 高速表1-1 窗体速度表当湿度大于90%时，默认为下雨状态，窗体以高速关闭；当湿度小于40%并且温度小于18C 时，窗体以中速关闭；当湿度小于45%并且温度大于30 C 小于35C 时，窗体以低速做打开运动并在定点处停止；（定点处为窗户框的中间位置）；当湿度大于60%小于90%，并且温度大于25C 时，窗体以中速打开；当温度大于35C 时，窗体以高速全开。5.2 流程图窗户运动控制流程图：开 始 接 受 温 湿 度 光 照 数据湿 度 9 0 %O R光 照 7 0 %A N D温
25、度 3 0 CO r湿 度 7 5 %A N D温 度 3 0 C湿 度 8 0 %O R温 度 3 5 C窗 体 :快 速 关 闭窗 体 :慢 速 关 闭窗 体 :慢 速 开 启窗 体快 速 开 启 :YYYYNNNN图5-1 窗体控制流程图浇灌设备自动控制流程图：图5-2 浇灌设备控制流程图窗帘定时自动控制流程图：开 始 接 受 时 间 数 据拟 设 定7 : 0 0 A M窗 帘 :开 启YY拟 设 定1 1 ： 0 0 P M窗 帘 :关 闭NNN图5-3 窗帘控制流程图吊灯光感自动控制流程图:开 始 接 受 室 内 光 线 数 据室 内 光 照 强 度3 0 &吊 灯 :关 闭NNN
26、图5-4 吊灯控制流程图6 系统测试及结果6.1 测试方法温湿度节点通信方面：选用5 个节点进行通信组网的测试，可在上位机的对话框中观察到5 个节点的不同温湿度显示图；温湿度光照模块检测方面：用人体加热以及周围环境喷水及挡光等方法，改变温湿度光照采样模块所在环境的温湿度；上位机的控制方面：上位机对采集的温湿度光照进行判断，并控制电压模块输出10v 电压；浇灌设备方面:浇水设备可根据不同盆栽土壤的湿度值进行自动定向。窗体运动方面：窗体可根据上位机的不同命令进行不同速度的开关、定位。窗帘及吊灯方面:依据定时器功能，实现在指定时间运行及停止。6.2 仪器1）传感器节点采集数据测试结果:图6-1 传感
27、器节点示意图2)网关与路由器及上位机相连:图6-2 网关级路由器通信示意图6.3 数据及实验结果温度 湿度 光照 电压 时间 自动窗 浇灌 吊灯 窗帘30 70% 8V 7:00 中开启 关闭 拉开30 75% 10V 7:00 快开启 停止 拉开表6-1 实验结果及其数据6.4实时监测测试结果图6-3 窗体速度变化示意图实时采集温度、湿度、光照、X、Y、Z 轴加速度等参数，并以实时动态曲线的方式显示出来。7.程序源代码三、作品提交1. 使用手册作品介绍: 本作品是针对于室内养植物的全自动化应用，即达到了省时省力的目的，又能实现节约水资源的功能。系统简要的流程是：通过无线传感系统采集室外光照强
28、度和室内温度，并通过协调器将信号传至上位机，根据光照强度和湿度信号对扩展模块进行控制，进而自动调控室内窗户的开度，改善室内光线强弱来维持植物所需的正常光照，并达到自然降温等作用。此外还利用了湿度传感器采集植物土壤的湿度并获取数值来传送到上位机，通过与正常土壤的湿度值作比较，来判断是否应该对植物实施浇水，如需浇水，则自动控制浇灌设备对植物的土壤进行灌溉，维持植物的生长。别具一心，此系统还增加了其他的一些实用功能，如：通过时间的设定，自动控制窗帘的开合和吊灯的亮灭；根据天气的变化自动调节适合的条件。给予家庭全自动化的应用，给人们的生活带来极大地便利。功能描述:此系统共有四个元器件，各自实现不同的功
29、能。根据所需的条件来自动进行变化，以适应环境的需求。元器件共有四个，实现的功能如下:1 自动窗：根据传感器采集的各项数据，收集后与设定的值进行逻辑判断，达到某一条件后会改变其运行状态。其开合速度可根据 D/A 电压输出模块来控制，有慢，中，快三种状态。实现了透光，遮雨和通风的功能。2 窗帘:用户可以通过定时器来设定室内窗帘的运作时间。从而进行自动拉开与关闭，极大地节省了人工操作的不便。3 浇水器:通过检测各个盆栽里土壤湿度的值来对浇水器进行控制。可以实现自动定向的功能。还可以利用下雨天时储蓄的雨水作为水源的供应。极大的实现节约用水功能。4 吊灯:植物在夜里也必须依靠微弱的灯光才能正常的生长，用户可以通过定时器来设定时间值，实现自动开启和关闭的功能，给予植物所需的光照，维持其生长；利用 D/A 电压输出调节吊灯的明暗程度，从而实现夜晚照明的功能。操作方法和步骤:用户首先需要将植物摆放到室内适当的位置，然后把温湿度光照传感器插入到土壤当中，并把其他设备依次与传感器相连接。需通过上位机来设定各个传感器采集的数据所需的比较数值，并可用定时器设定元器件的运行及停止时间，当传感器采集到数据并通过中间件传到上位机时，满足条件后会自动触发其各个设备件的运作，用户可以调节电压值控制相应设备的状态。如窗户的开合速度及吊灯的明暗程度。2. 作品展示系统主界面:子系统界面:
