陳文杰 賴銘鋒 李紅蓮 鄧嘉灝 石潤(rùn)華

摘要：為了解決現(xiàn)今家居、辦公花卉的養(yǎng)護(hù)難問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和Android平臺(tái)的智能花卉環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)花卉土壤濕度、養(yǎng)分、光照和溫度參數(shù)采集，通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞謾C(jī)app上顯示，并且通過(guò)服務(wù)器的分析，根據(jù)不同花卉在不同時(shí)間點(diǎn)和季節(jié)對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求，向用戶反饋建議。測(cè)試表明，該系統(tǒng)提高了對(duì)花卉養(yǎng)護(hù)的專業(yè)知識(shí)的缺乏和缺少時(shí)間管理花卉的用戶培育花卉的品質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 智能花卉；傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)分析；Android平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5039（2018）17-0089-03

隨著人們生活水平的不斷提升，在家居和辦公等環(huán)境下，花卉養(yǎng)殖對(duì)于生活環(huán)境的改善都有重要的意義，家居花卉養(yǎng)殖越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)[1]。而非專業(yè)人士對(duì)于種類繁多的花卉養(yǎng)護(hù)工作量極大，很多人因?yàn)閷?duì)花卉養(yǎng)護(hù)的專業(yè)知識(shí)的缺乏和缺少時(shí)間管理花卉，導(dǎo)致花卉品質(zhì)下降或死亡。市場(chǎng)上也隨之出現(xiàn)一批為養(yǎng)護(hù)花卉設(shè)計(jì)的土壤參數(shù)檢測(cè)傳感器，但對(duì)于遠(yuǎn)程養(yǎng)護(hù)不同性質(zhì)的花卉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)還不成熟。不同品種的植物，不同的季節(jié)、不同的時(shí)間對(duì)水分、養(yǎng)分等參數(shù)的需求都不同。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，本系統(tǒng)利用手機(jī)Android app實(shí)現(xiàn)了花卉的智能監(jiān)護(hù)。

1 系統(tǒng)功能

智能花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)分為硬件端和Android端。操作較為簡(jiǎn)單，界面也美觀明了。通過(guò)傳感器對(duì)植物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用藍(lán)牙傳輸至Android端，手機(jī)再發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物全方面地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)功能。

硬件端只要用戶接通電源，再連接手機(jī)藍(lán)牙，及時(shí)采集土壤水分、土壤養(yǎng)分、光照、溫度，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī)Android 端。

Android端，可以實(shí)現(xiàn)注冊(cè)登錄，通過(guò)藍(lán)牙連接硬件端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋養(yǎng)護(hù)建議，查詢植物習(xí)性。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)Android app、服務(wù)器、花卉數(shù)據(jù)庫(kù)組成。系統(tǒng)通過(guò)傳感器網(wǎng)絡(luò)采集花卉養(yǎng)護(hù)較重要的四種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送至手機(jī) app端[2]，手機(jī)通過(guò)GSM等方式傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)現(xiàn)在的時(shí)間和手機(jī)上傳的數(shù)據(jù)及花卉的種類，利用后臺(tái)花卉數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、記錄和向手機(jī)反饋結(jié)果，手機(jī)app會(huì)實(shí)時(shí)顯示植物環(huán)境參數(shù)，以及服務(wù)器反饋的養(yǎng)護(hù)建議，讓用戶滿足花卉最佳生長(zhǎng)條件的目的。

硬件系統(tǒng)依托Arduino平臺(tái)，軟件系統(tǒng)使用JAVA程序開(kāi)發(fā)，后臺(tái)用數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，服務(wù)器采用基于MVC模式的查詢系統(tǒng)。 用戶只需登入APP即可直觀地查看實(shí)時(shí)花卉養(yǎng)護(hù)建議。系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、Android端設(shè)計(jì)、服務(wù)器設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于花卉的養(yǎng)護(hù)，環(huán)境的主要因素有：土壤水分、土壤養(yǎng)分、光照、溫度[3]。故傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由土壤濕度養(yǎng)分傳感器模塊、光敏傳感器、溫度傳感器組成。

對(duì)于通信模塊，如今常利用于物聯(lián)網(wǎng)中的通信模塊主要有WIFI模塊、藍(lán)牙模塊等，由于本系統(tǒng)面向普通家居用戶，所以wifi模塊的能耗較大，不適合于便攜式的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。而藍(lán)牙4.0技術(shù)是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)短距離通訊中較適合的一種方案[4]。

在此系統(tǒng)中采用DX-BT05 4.0藍(lán)牙模塊，采用cc2541芯片，收發(fā)沒(méi)有字節(jié)限制。4.0的藍(lán)牙模塊具有高速藍(lán)牙和低耗藍(lán)牙的特點(diǎn)，待機(jī)功耗僅90uA-400uA，其功耗僅普通的藍(lán)牙設(shè)備十分之一，低功耗的特性成為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信模塊最優(yōu)先采用的模塊，也讓用戶在日常的使用中不用經(jīng)常更換電池，更方便用戶的日常使用。并且該藍(lán)牙模塊兼容性強(qiáng)，Android和ios系統(tǒng)都支持，并且響應(yīng)速度快，為實(shí)時(shí)的檢測(cè)花卉的參數(shù)提供條件。

本硬件系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上利用了Arduino平臺(tái)的電源模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，電源模塊為4個(gè)傳感器和藍(lán)牙通信模塊提供電源。A/D轉(zhuǎn)換模塊將4個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙，藍(lán)牙在通過(guò)與手機(jī)配對(duì)連接，藍(lán)牙就能把采集到的花卉數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)app端。

2.2 Android端設(shè)計(jì)

Android移動(dòng)終端給用護(hù)提供了諸多便捷，能夠更簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看養(yǎng)護(hù)花卉的情況，并且能夠記錄每天的養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)提供用戶查看。

用戶可在登錄界面進(jìn)行賬號(hào)的注冊(cè)及登陸，在登錄后第一使用的用戶可對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行配對(duì)連接，在后續(xù)的使用時(shí)app可開(kāi)啟藍(lán)牙自動(dòng)連接硬件設(shè)備。之后主顯示界面，用戶可根據(jù)服務(wù)器所提供的花卉的種類選擇該硬件設(shè)備所使用的花卉種類，在之后的使用中也可隨時(shí)更改。并且根據(jù)藍(lán)牙 4.0協(xié)議解析硬件設(shè)備藍(lán)牙模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)接受的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示，并且發(fā)送至服務(wù)器端查詢花卉養(yǎng)護(hù)的建議并且實(shí)時(shí)顯示。還可將每日的養(yǎng)護(hù)記錄存儲(chǔ)在服務(wù)器，用戶在查看花卉養(yǎng)護(hù)的記錄時(shí)，可為其展示花卉各個(gè)參數(shù)的變化曲線。還提供了各種植物花卉習(xí)性養(yǎng)護(hù)建議，為用戶豐富專業(yè)知識(shí)。

2.3 服務(wù)器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的服務(wù)器運(yùn)用的是在linux上tomcat本地服務(wù)器。服務(wù)器的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Java，與Android數(shù)據(jù)交互采用HTTP協(xié)議，數(shù)據(jù)的封裝形式為JSON，采用JSON形式封裝數(shù)據(jù)方便了Andnroid端和服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)解析和使用的方便。通過(guò)Request和Reponse進(jìn)行交互。其中Request：請(qǐng)求頭，封裝了請(qǐng)求的信息；Response：響應(yīng)頭，封裝了響應(yīng)的信息。

服務(wù)器主要功能：（1）對(duì)用戶登錄及注冊(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。（2）根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器花卉種類提供給用戶選擇。（3）根據(jù)Android端實(shí)時(shí)上傳的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)在的時(shí)間點(diǎn)與后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境信息表對(duì)比分析，向Android端反饋花卉養(yǎng)護(hù)的建議，是否該進(jìn)行澆水施肥等。（4）據(jù)Android端實(shí)時(shí)上傳的環(huán)境參數(shù)，記錄當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)，在Android端請(qǐng)求某個(gè)時(shí)間段的花卉數(shù)據(jù)時(shí)，向Android反饋對(duì)應(yīng)時(shí)間段數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的花卉信息。（5）向Android端提供各種植物的習(xí)性及養(yǎng)護(hù)建議。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器采用mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。需要設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)表有：

用戶表：記錄能夠登陸此系統(tǒng)的賬戶及密碼，以及為其分配的id。

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境信息表：存儲(chǔ)各種花卉在不同時(shí)間所需求土壤水分、土壤養(yǎng)分、溫度和濕度參數(shù)的合適范圍。

設(shè)備表：主要記錄每個(gè)用戶可綁定使用的多臺(tái)設(shè)備及其所對(duì)應(yīng)的植物種類

參數(shù)表：用于記錄不同的設(shè)備上傳到服務(wù)器的每個(gè)時(shí)間花卉種類及其土壤水分、土壤養(yǎng)分、溫度和濕度參數(shù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)Android端賬號(hào)注冊(cè)、身份驗(yàn)證登陸、采集花卉數(shù)據(jù)顯示、養(yǎng)護(hù)記錄、養(yǎng)護(hù)的建議。由于該系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)為用戶提供養(yǎng)護(hù)的數(shù)據(jù)及建議查詢，故在硬件系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)發(fā)送至Android端，是該系統(tǒng)先開(kāi)始實(shí)現(xiàn)的，為后續(xù)Android與服務(wù)器端的交互提供了核心的數(shù)據(jù)來(lái)源，服務(wù)器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)才能反饋花卉養(yǎng)護(hù)的建議，從而實(shí)現(xiàn)非專業(yè)用戶對(duì)花卉的養(yǎng)護(hù)更加的便捷合理。

3.1 硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2 Android端實(shí)現(xiàn)

在Android Studio上開(kāi)發(fā)了智能花房app，支持Android API 15-25及Android系統(tǒng)4.03版本以上都可使用，測(cè)試了Android系統(tǒng)4.03及Android系統(tǒng)7.01都可正常使用該APP，在Android APP使用截圖如下所示：

4 小結(jié)

面向智能的遠(yuǎn)程花卉養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)做到了養(yǎng)分、濕度、光照、溫度檢測(cè)，配合數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)盆栽植物全方面地遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)功能。本智能系統(tǒng)基于手機(jī)和藍(lán)牙之間的通信，只需打開(kāi)手機(jī)上的“藍(lán)牙”功能，通過(guò)APP端便能連接到本系統(tǒng)并且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)植物當(dāng)前的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)端的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以更加優(yōu)化的方式對(duì)植物進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并且可以查詢每個(gè)時(shí)間段花卉各個(gè)參數(shù)的信息。只需要一個(gè)app端的賬號(hào)即可連接多臺(tái)設(shè)備即花卉使用[5]。手機(jī)APP界面簡(jiǎn)潔清楚，操作簡(jiǎn)單，交互邏輯清晰，用戶體驗(yàn)較好。適合于家居、辦公人士，對(duì)于花卉的專業(yè)的知識(shí)不了解，不懂得正確花卉的養(yǎng)護(hù)，使用本系統(tǒng)即可更智能更簡(jiǎn)單的養(yǎng)護(hù)自己的花卉健康。

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