鐵 銳 張雷艷 余 月

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214153）

0 引言

高校校園占地范圍廣，綠化面積大，若植物得不到專業(yè)合理的灌溉必然會枯萎，從而影響校園整體綠化效果。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分高校在綠化養(yǎng)護(hù)過程中，綠化澆灌工作主要通過人工判斷實(shí)施，存在工作量大、澆灌需求判斷不準(zhǔn)確及灌溉量控制不合理等問題［1］。因此，若研究一種能夠根據(jù)環(huán)境因素、智慧化運(yùn)行的綠化澆灌系統(tǒng)，應(yīng)該可以有效解決上述問題。

目前國內(nèi)關(guān)于綠化澆灌項(xiàng)目的解決方案，基本以傳感器作為采集終端，監(jiān)測綠植的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)［2］，再給出相應(yīng)的控制策略。不同方案的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在選擇的無線通信技術(shù)，如WiFi，Zigbee，NB－IoT，LoRa等，或者采用不同的程序控制單元，如單片機(jī)、PLC等；研究方向主要集中在農(nóng)業(yè)種植、蔬菜大棚、家居綠植等方面，對于校園綠化澆灌的研究則較少涉及。

本文針對高校校園植物數(shù)量多、種類廣、種植層次繁復(fù)、不同類型植物有不同養(yǎng)護(hù)需求等特點(diǎn)，通過比較多種開發(fā)技術(shù)，選擇基于藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種智慧化校園綠化澆灌系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能促進(jìn)高校綠化養(yǎng)護(hù)工作降本增效，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及主要硬件設(shè)計(jì)

普通藍(lán)牙通信，存在設(shè)備之間互相孤立、不能組網(wǎng)的缺點(diǎn)；WiFi技術(shù)由于IP地址和信道個數(shù)的限制，通常連接設(shè)備不超過100個［3］，且信號易受環(huán)境影響導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸不穩(wěn)定；Zigbee，NB－IoT，LoRa等技術(shù)，需要通過網(wǎng)關(guān)或服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)控制命令［4］。相較于傳統(tǒng)通信方式，藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)技術(shù)具有組網(wǎng)便捷、網(wǎng)絡(luò)容量大、網(wǎng)絡(luò)健壯性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)控制方式靈活等多重優(yōu)勢，能最大限度滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于校園以太網(wǎng)組建，總體架構(gòu)如圖1所示，主要由終端控制單元、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸單元、服務(wù)器和客戶端單元組成，移動端采用低功耗藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth Low Energy，BLE）通信。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

終端控制單元采用單片機(jī)技術(shù)構(gòu)建，支持藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)，用以實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、澆灌策略實(shí)施控制等功能。監(jiān)控網(wǎng)關(guān)與終端控制單元共同組建藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)終端控制單元與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)通信。客戶端可以通過服務(wù)器對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)控制，也可以通過藍(lán)牙連接，直接配網(wǎng)控制終端控制單元。

1.2 終端控制單元設(shè)計(jì)

設(shè)備終端控制單元主要集成了MCU、光照強(qiáng)度傳感器、土壤濕度傳感器、繼電器、顯示屏等元件。MCU單元選擇基于32位Arm指令集的工業(yè)級SoC芯片nRF52840［5］。nRF52840自身支持藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)，可提供2組雙線接口（兼容I2C）、4組SPI接口、2組UART接口、1組USB接口和48組GPIO接口，完全能夠滿足外部元件接入需求。土壤濕度傳感器選擇支持RS485接入的三探針感應(yīng)設(shè)備，其水分測量精度在讀數(shù)的±（ 3% ～5%） ，溫度測量范圍－40℃～80℃，經(jīng)過轉(zhuǎn)接芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后連接UART接口。光照強(qiáng)度傳感器選擇BH1750，其具有低功耗、支持照度范圍寬（1～65 535 lx）、測量偏差小的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)不同的場景配置采樣速率，支持I2C接口通信。繼電器通過GPIO接口與MCU通信，再通過380 V交流接觸器，控制水泵啟閉。電源系統(tǒng)采用小型太陽能面板供電，附加穩(wěn)壓器和蓄電池，使用USB接口為終端控制單元供電。終端控制單元設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 終端控制單元設(shè)計(jì)示意圖

1.3 監(jiān)控網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)作為組網(wǎng)控制設(shè)備，硬件選擇樹莓派4b與nRF52840藍(lán)牙Mesh開發(fā)板，二者通過串口連接，共同構(gòu)成服務(wù)器與終端控制單元之間完整的通信路徑［6］。樹莓派4b基于ARM64位處理器，提供藍(lán)牙5.0，5G，WiFi無線通信功能以及千兆級以太網(wǎng)接口，支持Linux，Windows 10等多種操作系統(tǒng)，支持C，Python等編程語言，負(fù)責(zé)與服務(wù)器進(jìn)行通信。nRF52840藍(lán)牙Mesh開發(fā)板與終端控制單元使用相同的MCU，負(fù)責(zé)與終端控制單元進(jìn)行藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)通信。藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)主要功能模塊構(gòu)建

系統(tǒng)主要功能模塊包括設(shè)備端和控制端兩部分。設(shè)備端由終端控制單元和藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，控制端主要由數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和客戶端三部分構(gòu)成，其模型構(gòu)建如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要功能模塊示意圖

2.1 設(shè)備端藍(lán)牙M esh組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1.1 Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)流程

澆灌現(xiàn)場要實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)與所有終端控制單元的Mesh組網(wǎng)，主要流程如下：①定義藍(lán)牙Mesh網(wǎng)關(guān)為組網(wǎng)控制設(shè)備，對其信號覆蓋范圍內(nèi)的終端控制單元進(jìn)行掃描。通過UUID信息，對掃描到的設(shè)備進(jìn)行過濾，將不屬于本網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備消息直接丟棄。②網(wǎng)關(guān)對本網(wǎng)絡(luò)的終端控制單元發(fā)出入網(wǎng)邀請，終端控制單元反饋邀請響應(yīng)，并將自身的狀態(tài)轉(zhuǎn)化為在網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)將終端控制單元源地址存入本地，完成設(shè)備入網(wǎng)。若沒有掃描到終端控制單元，則重復(fù)掃描動作，多次掃描失敗作出錯誤提示。③終端控制單元入網(wǎng)成功后，立刻轉(zhuǎn)化為掃描狀態(tài)，對自身信號范圍內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行掃描。重復(fù)步驟②，將符合條件的設(shè)備納入網(wǎng)中，并向網(wǎng)關(guān)反饋新入網(wǎng)設(shè)備源地址。④重復(fù)步驟③，直至區(qū)域內(nèi)所有符合要求的終端控制單元成功入網(wǎng)，完成藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)。

2.1.2 Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議選擇

Mesh網(wǎng)絡(luò)通常采用“洪泛算法”來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)布和跳轉(zhuǎn)，每個節(jié)點(diǎn)在收到消息后，如果判斷目的地址不是自己，則向所有可能的網(wǎng)絡(luò)路徑進(jìn)行廣播，直至將消息傳遞到目的地址為止?！昂榉核惴ā钡膬?yōu)點(diǎn)在于簡單易實(shí)現(xiàn)，且網(wǎng)絡(luò)健壯性強(qiáng)，但其缺點(diǎn)是在通信過程中會產(chǎn)生大量的重復(fù)分組，容易導(dǎo)致廣播風(fēng)暴或消息碰撞，過于占用網(wǎng)絡(luò)鏈路資源［7］。因此，系統(tǒng)采用改進(jìn)型洪泛模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由，可以有效降低洪泛傳播的盲目性，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，如圖5所示。算法思想：①源節(jié)點(diǎn)S根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)D的位置計(jì)算出“D的期望區(qū)域”；②定義一個包含“D的期望區(qū)域”的矩形“請求區(qū)域”，并將“請求區(qū)域”和D的位置數(shù)據(jù)放在請求分組中［8］；③節(jié)點(diǎn)A，B，E等在收到請求分組時(shí)，判斷自己是否處于“請求區(qū)域”中，如是，則轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)文的TTL字段值減1，否則，丟棄分組數(shù)據(jù)。由圖5可知，節(jié)點(diǎn)E不參與S節(jié)點(diǎn)和D節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)中繼。

圖5 改進(jìn)型“洪泛算法”示意圖

2.1.3 Mesh網(wǎng)絡(luò)分組控制策略

Mesh網(wǎng)絡(luò)中，對網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行有效且便利的控制是非常必要的。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，通過全組控制和單點(diǎn)控制，實(shí)現(xiàn)多樣化的澆灌需求：①全組控制。根據(jù)綠化面積、綠植種類、養(yǎng)護(hù)要求等因素，對全校的綠植進(jìn)行分類，將具備統(tǒng)一澆灌條件的綠植納入一個組內(nèi)，選擇要加入新建組的設(shè)備，并為組內(nèi)所有設(shè)備配置一個公共地址，通過向全組的公共地址發(fā)送控制指令，并配置數(shù)據(jù)指令的標(biāo)志位，即可實(shí)現(xiàn)對某區(qū)域終端控制單元的控制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一性的灌溉需求。②單點(diǎn)控制。針對特殊植物，向單獨(dú)目標(biāo)地址發(fā)送動作指令，進(jìn)行單點(diǎn)控制。例如個別名貴植物，對澆灌要求特別高，可以通過手動方式，較為精準(zhǔn)地控制澆灌時(shí)間和澆灌量，滿足其個性化澆灌需求。

2.2 控制端程序模塊設(shè)計(jì)

控制端程序模塊主要包括系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫搭建、服務(wù)器程序和客戶端程序。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MySQL數(shù)據(jù)庫＋Redis數(shù)據(jù)庫的存儲方式。MySQL數(shù)據(jù)庫用于存放網(wǎng)關(guān)、藍(lán)牙Mesh設(shè)備和綁定的用戶信息；Redis數(shù)據(jù)庫為非關(guān)系數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)保存在緩存中，便于讀取和查詢，在一臺服務(wù)器上可以同時(shí)啟動多個Redis進(jìn)程，用于存放用戶登錄的Session信息，維持用戶的登錄狀態(tài)。

服務(wù)器程序基于Python平臺開發(fā)，用于對接終端Mesh網(wǎng)絡(luò)和客戶端控制，主要實(shí)現(xiàn)賬戶管理、設(shè)備信息管理、分組控制、數(shù)據(jù)處理、指令下發(fā)等功能，是系統(tǒng)后臺操作核心功能區(qū)，設(shè)置其下發(fā)的控制指令優(yōu)先級高于終端控制單元自身控制程序。

客戶端實(shí)現(xiàn)用戶注冊與登錄、掃描區(qū)域內(nèi)設(shè)備、Mesh組網(wǎng)、添加和刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn)、分組控制設(shè)備節(jié)點(diǎn)、與服務(wù)器通信等功能［9］。

3 系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)

在完成系統(tǒng)設(shè)備端和控制端功能整體構(gòu)建后，應(yīng)當(dāng)結(jié)合高校校園實(shí)際情況，對系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行路徑進(jìn)行科學(xué)合理地規(guī)劃，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行路徑設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)盡量在校園人工湖泊、雨水收集裝置或附近河流等天然水源位置設(shè)置取水口，避免使用市政供水作為綠化用水。使用市政供水，既不符合國家相關(guān)用水政策，也不利于植物生長。

大面積空曠綠化區(qū)域，沿著供水管道按照每5～10 m距離設(shè)置一個終端控制單元，有利于統(tǒng)一進(jìn)行澆灌作業(yè)。終端控制單元既受服務(wù)器控制，也可以脫離TCP網(wǎng)絡(luò)，以邊緣計(jì)算的方式，獨(dú)立控制澆灌作業(yè)。特殊要求的綠化區(qū)域，可以根據(jù)實(shí)際需要，將終端控制單元靈活布置在校園任意位置，但設(shè)備之間的距離不能超過藍(lán)牙有效傳輸距離，否則容易導(dǎo)致設(shè)備脫網(wǎng)，數(shù)據(jù)無法跳轉(zhuǎn)。

所有終端控制單元與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)組網(wǎng)成功后，通過WiFi接入校園以太網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間利用WebSocket協(xié)議進(jìn)行長連接通信，保證信息交換的實(shí)時(shí)性。服務(wù)器程序?qū)esh網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲和顯示，手動或自動下發(fā)控制策略。

客戶端通過PC或移動App連接服務(wù)器，對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)查看或遠(yuǎn)程操控。目前絕大多數(shù)手持移動終端都內(nèi)置藍(lán)牙芯片，所以移動App也可以不需要網(wǎng)關(guān)，直接與終端控制單元進(jìn)行藍(lán)牙連接。

4 系統(tǒng)主要控制策略

校園綠化澆灌系統(tǒng)主要控制澆水時(shí)間節(jié)點(diǎn)、澆水量和澆水頻率三個參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)氣候、土壤、季節(jié)等環(huán)境因素及不同植物的種類、習(xí)性等生長因素，制定專業(yè)的澆灌策略。

（1）通過客戶端設(shè)置澆灌周期，在不同的時(shí)間節(jié)點(diǎn)下發(fā)控制策略。夏季在早晚澆水，其他季節(jié)在清晨或傍晚澆水；冬季氣溫較低，光線較弱，減少澆水量，早晚不宜澆水；11月土壤凍結(jié)前澆透水，3月中旬土壤解凍后應(yīng)澆足返青水。

（2）按照不同植物種類進(jìn)行分組控制，設(shè)定各組的澆水量。以校園綠化最常見的草坪為例，在春夏生長季節(jié)，每次的灌溉量以濕潤土層100～150 mm為宜，炎熱的干旱季每周還需要補(bǔ)水約50 mm，冬季則監(jiān)測到土壤干燥才澆水，且保持土壤輕微濕潤即可。

（3）按照不同植物習(xí)性進(jìn)行分組控制，設(shè)定各組澆水頻率。喜濕的植物，每隔2～3天澆一次水；喜旱的植物則每隔3～5天澆一次水；中生植物要“見干見濕”，土壤干燥就澆透。

（4）系統(tǒng)還要結(jié)合天氣預(yù)報(bào)信息，自主制定階段性的澆灌策略。既定策略在實(shí)施前，程序?qū)Ξ?dāng)前時(shí)間節(jié)點(diǎn)的前后3～7天的天氣信息進(jìn)行綜合分析，滿足條件，才能啟動系統(tǒng)實(shí)施澆灌。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在校園綠化區(qū)域中選取不同種類植物，以2023年無錫市3～6月天氣數(shù)據(jù)為參數(shù)，分析系統(tǒng)能否按照預(yù)期的策略實(shí)施澆灌。3月13日往前多日無雨，預(yù)計(jì)3天后才有中雨，草坪需澆返青水，判斷啟動澆灌1次，澆灌量100 mm。4月14日前后5天內(nèi)少雨，但是木本花卉需水量較少，判斷不啟動澆灌。5月12日往前5天雨量不足，預(yù)計(jì)4天后大雨，而5月剛好處于蕨類植物的生長期，需保持濕潤，判斷啟動2次，但澆灌量較少。6月20日前3天雨量充足，多漿類植物本身需水量小，判斷不啟動。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)運(yùn)行采樣分析表

系統(tǒng)多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確率統(tǒng)計(jì)如表2所示，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)期實(shí)際環(huán)境自主判斷的正確率平均為91%。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，基于藍(lán)牙Mesh技術(shù)的校園綠化澆灌系統(tǒng)基本能夠按照預(yù)期目標(biāo)實(shí)施澆灌，系統(tǒng)功能滿足設(shè)計(jì)需求。

表2 系統(tǒng)運(yùn)行正確率統(tǒng)計(jì)表

6 結(jié)論

通過結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，設(shè)計(jì)了一套基于藍(lán)牙Mesh技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程管控、自主判斷的校園綠化澆灌系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)建方式簡單，后期維護(hù)便捷，能有效克服傳統(tǒng)人工澆灌模式的弊端。將設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在某高校進(jìn)行試用，實(shí)驗(yàn)效果良好。該校目前有綠化面積31萬m2，通過使用該系統(tǒng)，綠化養(yǎng)護(hù)人員從34人下降到29人，每年節(jié)約綠化用水約15 000 m3，既有效地降低了人力成本，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)約水資源的目標(biāo)。