基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统设计.pdf

第2 3卷，第1期2024年1月北京工业职业技术学院学报JOURNAL OF BEIJING POLYTECHNIC COLLEGENo.1 Vol.23Jan.2024基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统设计铁锐张雷艳余月（无锡商业职业技术学院，江苏无锡2 14153）摘要：调研发现，很多高校对校园绿化管理手段有限，虽投入大量人力、物力，但经济效益差，水资源浪费现象比较突出。基于此，设计了一种以传感器+单片机为终端控制单元、利用蓝牙Mesh组网通信的校园绿化浇灌系统。系统具有组网便捷、覆盖面广、控制灵活、网络健壮性强等优点。实验结果表明：系统在不同的环境因素下，能自主判断植物需求，按照既定策略实施浇灌，系统运行正确率平均达9 1%。将该系统在高校推广使用，能有效降低后勤运营成本，节约水资源，提高校园绿化养护效率。关键词：绿化浇灌；蓝牙Mesh技术；系统设计中图分类号：TP391文献标识码：AD0I:10.3969/j.issn.1671-6558.2024.01.007文章编号:16 7 1-6 558(2 0 2 4)0 1-34-0 5Design of Campus Greening Irrigation System Basedon Bluetooth Mesh TechnologyTIE Rui(Wuxi Vocational Institute of Commerce,Wuxi Jiangsu 214153,China)Abstract:Research has found that many universities have limited means of campus greening management.Althougha large amount of manpower and material resources are invested,the economic benefits are poor,and thephenomenon of water resource waste is more prominent.Based on this,a campus greening irrigation system wasdesigned with sensors and microcontrollers as terminal control units,and Bluetooth Mesh network communicationwas used.The system has advantages such as convenient networking,wide coverage,flexible control,and strongnetwork robustness.The experimental results show that under different environmental factors,the system canindependently judge plant needs and implement irrigation according to established strategies,with an averageaccuracy rate of 91%in system operation.Promoting the use of this system in universities can effectively reducelogistics operating costs,save water resources,and improve the efficiency of campus greening and maintenance.Key words:greening irrigation;Bluetooth Mesh technology;system design0引言高校校园占地范围广,绿化面积大,若植物得不到专业合理的灌溉必然会枯萎，从而影响校园整体绿收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 7基金项目：无锡商业职业技术学院大学生创新创业训练计划项目（2 0 2 2 12 7 0 2 0 0 1）。作者简介：铁锐（19 8 0 一），男，江苏扬州人,讲师，工学硕士，研究方向为物联网技术和节能技术。ZHANG Leiyan化效果。调研发现,大部分高校在绿化养护过程中，绿化浇灌工作主要通过人工判断实施,存在工作量大、浇灌需求判断不准确及灌溉量控制不合理等问YU Yue第1期题 。因此,若研究一种能够根据环境因素、智慧化运行的绿化浇灌系统，应该可以有效解决上述问题。目前国内关于绿化浇灌项目的解决方案,基本以传感器作为采集终端，监测绿植的实时环境数据2 ,再给出相应的控制策略。不同方案的创新点主要集中在选择的无线通信技术，如WiFi,Zigbee，NB-IoT,LoRa等,或者采用不同的程序控制单元，如单片机、PLC等；研究方向主要集中在农业种植、蔬菜大棚、家居绿植等方面，对于校园绿化浇灌的研究则较少涉及。本文针对高校校园植物数量多、种类广、种植层次繁复、不同类型植物有不同养护需求等特点，通过比较多种开发技术，选择基于蓝牙Mesh组网技术设计一种智慧化校园绿化浇灌系统，并通过实验证明，该系统能促进高校绿化养护工作降本增效,具有终端控制单元终端控制单元采用单片机技术构建，支持蓝牙Mesh组网,用以实现环境感知、浇灌策略实施控制等功能。监控网关与终端控制单元共同组建蓝牙Mesh网络，网关负责终端控制单元与服务器之间的数据通信。客户端可以通过服务器对节点进行系统控制，也可以通过蓝牙连接,直接配网控制终端控制单元。1.2终端控制单元设计设备终端控制单元主要集成了MCU、光照强度传感器、土壤湿度传感器、继电器、显示屏等元件。MCU单元选择基于32 位Arm指令集的工业级SoC芯片nRF528405。n R F52 8 40 自身支持蓝牙Mesh组网，可提供2 组双线接口（兼容IC）、4组SPI接口、2 组UART接口、1组USB接口和48 组GPIO接口,完全能够满足外部元件接人需求。土壤湿度传感器选择支持RS485接人的三探针感应设备，其水分测量精度在读数的（3%5%），温度测量范围-40 8 0,经过转接芯片进行电平转换后连接UART接口。光照强度传感器选择BH1750,其具有低功耗、支持照度范围宽（1 6 5535lx）、测量偏差小的优点，可根据不同的场景配置采样速率，支持PC接口通信。继电器通过GPIO接口与MCU通信，再通过38 0 V交流接触器，控制水泵启闭。电源铁锐,等：基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统设计1系统架构及主要硬件设计普通蓝牙通信，存在设备之间互相孤立、不能组网的缺点；WiFi技术由于IP地址和信道个数的限制通常连接设备不超过10 0 个3，且信号易受环境影响导致网络传输不稳定;Zigbee,NBI o T,L o R a等技术，需要通过网关或服务器转发控制命令4。相较于传统通信方式，蓝牙 Mesh 组网技术具有组网便捷、网络容量大、网络健壮性强、网络控制方式灵活等多重优势，能最大限度满足系统设计需求。1.1系统总体架构设计系统基于校园以太网组建，总体架构如图1所示，主要由终端控制单元、网络数据传输单元、服务器和客户端单元组成，移动端采用低功耗蓝牙技术(Bluetooth Low Energy,BLE)通信。服务器蓝牙Mesh组网监控网关蓝牙(BLE)通信（移动端)图1系统总体架构设计图系统采用小型太阳能面板供电，附加稳压器和蓄电池,使用USB接口为终端控制单元供电。终端控制单元设计如图2 所示。显示屏光照强度感应4SPIGPIOA33路继电器LCPIOA44路继电器USB太阳能供电土壤湿度感应图2 终端控制单元设计示意图1.31监控网关设计蓝牙Mesh网关作为组网控制设备,硬件选择树莓派4b与nRF52840蓝牙Mesh开发板，二者通过串口连接，共同构成服务器与终端控制单元之间完整的通信路径6 。树莓派4b基于ARM64位处理器，提供蓝牙5.0,5G，W i Fi 无线通信功能以及千兆级以太网接口,支持Linux，W in d o w s 10 等多种操作系35较大的实用价值。TCP协议HTTP协议MCUGPIOA2nRF528402路继电器UART电平转换RS485客户端BH1750PCGPIOA11路继电器36统,支持C,Python等编程语言,负责与服务器进行通信。nRF52840蓝牙Mesh开发板与终端控制单元使北京工业职业技术学院学报用相同的MCU,负责与终端控制单元进行蓝牙Mesh组网通信。蓝牙Mesh网关硬件结构如图3所示。第2 3卷WebSocket通信树莓派服务器4h图3蓝牙Mesh网关硬件结构示意图2系统主要功能模块构建成，控制端主要由数据库、服务器和客户端三部分构系统主要功能模块包括设备端和控制端两部成，其模型构建如图4所示。分。设备端由终端控制单元和蓝牙Mesh网关构MySQLRedis数据库数据库数据库读写WebSocketPCHTTP协议客户端HTTP协议移动ApP控制控制端图4系统主要功能模块示意图2.1设备端蓝牙Mesh组网设计2.1.2Mesh网络路由协议选择2.1.1Mesh网络组网流程Mesh网络通常采用“洪泛算法”来实现数据的浇灌现场要实现蓝牙Mesh网关与所有终端发布和跳转,每个节点在收到消息后,如果判断目的控制单元的Mesh组网，主要流程如下：定义蓝地址不是自己,则向所有可能的网络路径进行广播，牙Mesh网关为组网控制设备,对其信号覆盖范围直至将消息传递到目的地址为止。“洪泛算法”的内的终端控制单元进行扫描。通过UUID信息，对优点在于简单易实现，且网络健壮性强，但其缺点是扫描到的设备进行过滤，将不属于本网络的设备在通信过程中会产生大量的重复分组，容易导致广消息直接丢弃。网关对本网络的终端控制单元播风暴或消息碰撞，过于占用网络链路资源7 。因发出入网邀请，终端控制单元反馈邀请响应，并将此，系统采用改进型洪泛模型进行网络路由，可以有自身的状态转化为在网。网关将终端控制单元源效降低洪泛传播的盲目性，节省网络资源，如图5所地址存人本地，完成设备人网。若没有扫描到终端示。算法思想：源节点S根据目的节点D的位置计控制单元，则重复扫描动作，多次扫描失败作出错误算出“D的期望区域”;定义一个包含“D的期望区提示。终端控制单元入网成功后，立刻转化为扫域”的矩形“请求区域”,并将“请求区域”和D的位置描状态，对自身信号范围内的设备进行扫描。重复数据放在请求分组中8 ;节点A,B,E等在收到请步骤，将符合条件的设备纳入网中，并向网关反馈求分组时,判断自己是否处于“请求区域”中,如是,则新人网设备源地址。重复步骤,直至区域内所转发分组数据,同时数据报文的TTL字段值减1,否有符合要求的终端控制单元成功人网，完成蓝牙则,丢弃分组数据。由图5可知,节点E不参与S节Mesh组网。点和D节点之间的数据中继。蓝牙Mesh串口连接姿nRF52840蓝牙Mesh开发板网关蓝牙Mesh组网服务器协议蓝牙Mesh网关蓝牙(BLE)通信设备端组网终端控制单元终端控制单元第1期源节点S图5改进型“洪泛算法”示意图2.1.3Mesh网络分组控制策略Mesh网络中,对网内的节点设备进行有效且便利的控制是非常必要的。本文设计的系统,通过全组控制和单点控制，实现多样化的浇灌需求：全组控制。根据绿化面积、绿植种类、养护要求等因素，,对全校的绿植进行分类,将具备统一浇灌条件的绿植纳人一个组内,选择要加人新建组的设备,并为组内所有设备配置一个公共地址，通过向全组的公共地址发送控制指令,并配置数据指令的标志位，即可实现对某区域终端控制单元的控制,实现统一性的灌溉需求。单点控制。针对特殊植物，向单独目标地址发送动作指令，进行单点控制。例如个别名贵植物，对浇铁锐,等：基于蓝牙Mesh技术的校园绿化浇灌系统设计请求区域节点A节点B节点E37灌要求特别高，可以通过手动方式,较为精准地控制浇灌时间和浇灌量，满足其个性化浇灌需求。2.2控制端程序模块设计目的节点控制端程序模块主要包括系统数据库搭建、服D务器程序和客户端程序。数据库系统采用MySQL数据库+Redis数据库的存储方式。MySQL数据库用于存放网关、蓝牙Mesh设备和绑定的用户信息；Redis 数据库为非关系数据库,数据保存在缓存中，便于读取和查询，在一台服务器上可以同时启动多个Redis 进程，用于存放用户登录的Session信息，维持用户的登录状态。服务器程序基于Python平台开发,用于对接终端Mesh网络和客户端控制，主要实现账户管理、设备信息管理、分组控制、数据处理、指令下发等功能，是系统后台操作核心功能区，设置其下发的控制指令优先级高于终端控制单元自身控制程序。客户端实现用户注册与登录、扫描区域内设备、Mesh组网、添加和删除设备节点、分组控制设备节点、与服务器通信等功能9 3系统现场运行路径设计在完成系统设备端和控制端功能整体构建后，应当结合高校校园实际情况，对系统现场运行路径进行科学合理地规划，如图6 所示。节点供水节点终端控制单元供水节点终端控制单元图6 系统现场运行路径设计图系统尽量在校园人工湖泊、雨水收集装置或附间的距离不能超过蓝牙有效传输距离，否则容易导近河流等天然水源位置设置取水口，避免使用市政致设备脱网，数据无法跳转。供水作为绿化用水。使用市政供水，既不符合国家所有终端控制单元与蓝牙网关组网成功后，通相关用水政策，也不利于植物生长。过WiFi接人校园以太网，网关与服务器之间利用大面积空旷绿化区域,沿着供水管道按照每5WebSocket协议进行长连接通信，保证信息交换的10m距离设置一个终端控制单元,有利于统一进行实时性。服务器程序对Mesh网络数据进行处理、浇灌作业。终端控制单元既受服务器控制，也可以存储和显示，手动或自动下发控制策略。脱离TCP网络，以边缘计算的方式，独立控制浇灌客户端通过PC或移动App连接服务器，对系作业。特殊要求的绿化区域,可以根据实际需要,将统进行数据查看或远程操控。目前绝大多数手持移终端控制单元灵活布置在校园任意位置，但设备之动终端都内置蓝牙芯片,所以移动App也可以不需节点节点蓝牙Mesh网关配对/通信(支持WiFi)一节点备用配对一校园网备用配对服务器客户端38要网关，直接与终端控制单元进行蓝牙连接。4系统主要控制策略校园绿化浇灌系统主要控制浇水时间节点、浇水量和浇水频率三个参数。系统根据气候、土壤、季节等环境因素及不同植物的种类、习性等生长因素，制定专业的浇灌策略。(1)通过客户端设置浇灌周期，在不同的时间节点下发控制策略。夏季在早晚浇水,其他季节在清晨或傍晚浇水；冬季气温较低，光线较弱，减少浇水量，早晚不宜浇水；11月土壤冻结前浇透水，3月中旬土壤解冻后应浇足返青水。（2）按照不同植物种类进行分组控制，设定各组的浇水量。以校园绿化最常见的草坪为例，在春夏生长季节，每次的灌溉量以湿润土层10 0 150mm为宜，炎热的干旱季每周还需要补水约50mm，冬季则监测到土壤干燥才浇水,且保持土壤轻微湿润即可。(3）按照不同植物习性进行分组控制，设定各日期气温/03-135 1504 14162605-12152506-2021 31系统多次实验结果的正确率统计如表2 所示，系统根据当期实际环境自主判断的正确率平均为91%。由实验数据可知,基于蓝牙Mesh 技术的校园绿化浇灌系统基本能够按照预期目标实施浇灌，系统功能满足设计需求。表2 系统运行正确率统计表试验月份试验次数/次正确次数/次310411511686结论通过结合物联网技术、单片机技术和互联网通信协议,设计了一套基于蓝牙Mesh技术,能够实现远程管控、自主判断的校园绿化浇灌系统。系统构建方式简单,后期维护便捷，能有效克服传统人工浇灌模式的弊端。将设计的系统在某高校进行试用，实验效果良好。该校目前有绿化面积31万m，通过使用该系统，绿化养护人员从34人下降到2 9 人，每年节约绿化用水约150 0 0 m,既有效地降低了人北京工业职业技术学院学报组浇水频率。喜湿的植物，每隔2 3天浇一次水；喜旱的植物则每隔35天浇一次水；中生植物要“见干见湿”，土壤干燥就浇透。（4)系统还要结合天气预报信息，自主制定阶段性的浇灌策略。既定策略在实施前，程序对当前时间节点的前后37 天的天气信息进行综合分析，满足条件，才能启动系统实施浇灌，5实验结果分析在校园绿化区域中选取不同种类植物，以2 0 2 3年无锡市3 6 月天气数据为参数,分析系统能否按照预期的策略实施浇灌。3月13日往前多日无雨,预计3天后才有中雨,草坪需浇返青水,判断启动浇灌1次,浇灌量10 0 mm。4月14日前后5天内少雨,但是木本花卉需水量较少,判断不启动浇灌。5月12 日往前5天雨量不足，预计4天后大雨，而5月刚好处于蕨类植物的生长期，需保持湿润，判断启动2 次，但浇灌量较少。6 月2 0 日前3天雨量充足，多浆类植物本身需水量小,判断不启动。实验数据如表1所示。表1系统运行采样分析表天气植物类型多云草坪多云木本花卉晴蕨类多云多浆类力成本，又实现了节约水资源的目标。参考文献1陈威,林超伦,徐启明，等.基于ZigBee水稻自动浇灌系统的设计与实现J.电子世界,2 0 19（14)：132-133.2黄瑾瑜.基于单片机的自动浇灌系统的设计J.电子世界,2 0 2 1(12):12 3-12 4.3李伟,张可新.蓝牙Mesh技术解读及蓝牙Mesh产品射正确率/%频性能研究J.日用电器,2 0 2 2（1）：32-37.99010919828100第2 3卷浇灌启动浇灌量/mm是1000是10否04万光耀.一种应用于物联网的低功耗蓝牙Mesh组网方案设计D.西安：西安电子科技大学,2 0 19：1.5贾朋松，徐颖.基于蓝牙Mesh网络的智慧农业大棚监控系统J.无线通信技术,2 0 2 2,31（4）：16-19.6俞为.基于蓝牙Mesh的网关控制系统D.杭州：杭州电子科技大学,2 0 2 1:18.7胡星星.蓝牙Mesh网络路由机制以及路由算法研究D.成都：成都理工大学,2 0 2 3：2.8唐杜平,骆俊英.无线传感器网络洪泛路由算法的研究J.微计算机信息,2 0 0 7（2 3）：17 5-17 9.9张皓伦.基于低功耗蓝牙MESH 的组网系统的研究与设计D.西安：西安电子科技大学,2 0 2 0:51-52.（责任编辑：黄宇婷）浇灌频率/次1020