基于藍牙Mesh技術的校園綠化澆灌系統設計

鐵 銳 張雷艷 余 月

（無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214153）

0 引言

高校校園占地范圍廣，綠化面積大，若植物得不到專業合理的灌溉必然會枯萎，從而影響校園整體綠化效果。調研發現，大部分高校在綠化養護過程中，綠化澆灌工作主要通過人工判斷實施，存在工作量大、澆灌需求判斷不準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環境因素、智慧化運行的綠化澆灌系統，應該可以有效解決上述問題。

目前國內關于綠化澆灌項目的解決方案，基本以傳感器作為采集終端，監測綠植的實時環境數據［2］，再給出相應的控制策略。不同方案的創新點主要集中在選擇的無線通信技術，如WiFi，Zigbee，NB－IoT，LoRa等，或者采用不同的程序控制單元，如單片機、PLC等；研究方向主要集中在農業種植、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量多、種類廣、種植層次繁復、不同類型植物有不同養護需求等特點，通過比較多種開發技術，選擇基于藍牙Mesh組網技術設計一種智慧化校園綠化澆灌系統，并通過實驗證明，該系統能促進高校綠化養護工作降本增效，具有較大的實用價值。

1 系統架構及主要硬件設計

普通藍牙通信，存在設備之間互相孤立、不能組網的缺點；WiFi技術由于IP地址和信道個數的限制，通常連接設備不超過100個［3］，且信號易受環境影響導致網絡傳輸不穩定；Zigbee，NB－IoT，LoRa等技術，需要通過網關或服務器轉發控制命令［4］。相較于傳統通信方式，藍牙Mesh組網技術具有組網便捷、網絡容量大、網絡健壯性強、網絡控制方式靈活等多重優勢，能最大限度滿足系統設計需求。

1.1 系統總體架構設計

系統基于校園以太網組建，總體架構如圖1所示，主要由終端控制單元、網絡數據傳輸單元、服務器和客戶端單元組成，移動端采用低功耗藍牙技術（Bluetooth Low Energy，BLE）通信。

圖1 系統總體架構設計圖

終端控制單元采用單片機技術構建，支持藍牙Mesh組網，用以實現環境感知、澆灌策略實施控制等功能。監控網關與終端控制單元共同組建藍牙Mesh網絡，網關負責終端控制單元與服務器之間的數據通信?？蛻舳丝梢酝ㄟ^服務器對節點進行系統控制，也可以通過藍牙連接，直接配網控制終端控制單元。

1.2 終端控制單元設計

設備終端控制單元主要集成了MCU、光照強度傳感器、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指令集的工業級SoC芯片nRF52840［5］。nRF52840自身支持藍牙Mesh組網，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接入的三探針感應設備，其水分測量精度在讀數的±（ 3% ～5%） ，溫度測量范圍－40℃～80℃，經過轉接芯片進行電平轉換后連接UART接口。光照強度傳感器選擇BH1750，其具有低功耗、支持照度范圍寬（1～65 535 lx）、測量偏差小的優點，可根據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。電源系統采用小型太陽能面板供電，附加穩壓器和蓄電池，使用USB接口為終端控制單元供電。終端控制單元設計如圖2所示。

圖2 終端控制單元設計示意圖

1.3 監控網關設計

藍牙Mesh網關作為組網控制設備，硬件選擇樹莓派4b與nRF52840藍牙Mesh開發板，二者通過串口連接，共同構成服務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，提供藍牙5.0，5G，WiFi無線通信功能以及千兆級以太網接口，支持Linux，Windows 10等多種操作系統，支持C，Python等編程語言，負責與服務器進行通信。nRF52840藍牙Mesh開發板與終端控制單元使用相同的MCU，負責與終端控制單元進行藍牙Mesh組網通信。藍牙Mesh網關硬件結構如圖3所示。

圖3 藍牙Mesh網關硬件結構示意圖

2 系統主要功能模塊構建

系統主要功能模塊包括設備端和控制端兩部分。設備端由終端控制單元和藍牙Mesh網關構成，控制端主要由數據庫、服務器和客戶端三部分構成，其模型構建如圖4所示。

圖4 系統主要功能模塊示意圖

2.1 設備端藍牙M esh組網設計

2.1.1 Mesh網絡組網流程

澆灌現場要實現藍牙Mesh網關與所有終端控制單元的Mesh組網，主要流程如下：①定義藍牙Mesh網關為組網控制設備，對其信號覆蓋范圍內的終端控制單元進行掃描。通過UUID信息，對掃描到的設備進行過濾，將不屬于本網絡的設備消息直接丟棄。②網關對本網絡的終端控制單元發出入網邀請，終端控制單元反饋邀請響應，并將自身的狀態轉化為在網。網關將終端控制單元源地址存入本地，完成設備入網。若沒有掃描到終端控制單元，則重復掃描動作，多次掃描失敗作出錯誤提示。③終端控制單元入網成功后，立刻轉化為掃描狀態，對自身信號范圍內的設備進行掃描。重復步驟②，將符合條件的設備納入網中，并向網關反饋新入網設備源地址。④重復步驟③，直至區域內所有符合要求的終端控制單元成功入網，完成藍牙Mesh組網。

2.1.2 Mesh網絡路由協議選擇

Mesh網絡通常采用“洪泛算法”來實現數據的發布和跳轉，每個節點在收到消息后，如果判斷目的地址不是自己，則向所有可能的網絡路徑進行廣播，直至將消息傳遞到目的地址為止?！昂榉核惴ā钡膬烖c在于簡單易實現，且網絡健壯性強，但其缺點是在通信過程中會產生大量的重復分組，容易導致廣播風暴或消息碰撞，過于占用網絡鏈路資源［7］。因此，系統采用改進型洪泛模型進行網絡路由，可以有效降低洪泛傳播的盲目性，節省網絡資源，如圖5所示。算法思想：①源節點S根據目的節點D的位置計算出“D的期望區域”；②定義一個包含“D的期望區域”的矩形“請求區域”，并將“請求區域”和D的位置數據放在請求分組中［8］；③節點A，B，E等在收到請求分組時，判斷自己是否處于“請求區域”中，如是，則轉發分組數據，同時數據報文的TTL字段值減1，否則，丟棄分組數據。由圖5可知，節點E不參與S節點和D節點之間的數據中繼。

圖5 改進型“洪泛算法”示意圖

2.1.3 Mesh網絡分組控制策略

Mesh網絡中，對網內的節點設備進行有效且便利的控制是非常必要的。本文設計的系統，通過全組控制和單點控制，實現多樣化的澆灌需求：①全組控制。根據綠化面積、綠植種類、養護要求等因素，對全校的綠植進行分類，將具備統一澆灌條件的綠植納入一個組內，選擇要加入新建組的設備，并為組內所有設備配置一個公共地址，通過向全組的公共地址發送控制指令，并配置數據指令的標志位，即可實現對某區域終端控制單元的控制，實現統一性的灌溉需求。②單點控制。針對特殊植物，向單獨目標地址發送動作指令，進行單點控制。例如個別名貴植物，對澆灌要求特別高，可以通過手動方式，較為精準地控制澆灌時間和澆灌量，滿足其個性化澆灌需求。

2.2 控制端程序模塊設計

控制端程序模塊主要包括系統數據庫搭建、服務器程序和客戶端程序。數據庫系統采用MySQL數據庫＋Redis數據庫的存儲方式。MySQL數據庫用于存放網關、藍牙Mesh設備和綁定的用戶信息；Redis數據庫為非關系數據庫，數據保存在緩存中，便于讀取和查詢，在一臺服務器上可以同時啟動多個Redis進程，用于存放用戶登錄的Session信息，維持用戶的登錄狀態。

服務器程序基于Python平臺開發，用于對接終端Mesh網絡和客戶端控制，主要實現賬戶管理、設備信息管理、分組控制、數據處理、指令下發等功能，是系統后臺操作核心功能區，設置其下發的控制指令優先級高于終端控制單元自身控制程序。

客戶端實現用戶注冊與登錄、掃描區域內設備、Mesh組網、添加和刪除設備節點、分組控制設備節點、與服務器通信等功能［9］。

3 系統現場運行路徑設計

在完成系統設備端和控制端功能整體構建后，應當結合高校校園實際情況，對系統現場運行路徑進行科學合理地規劃，如圖6所示。

圖6 系統現場運行路徑設計圖

系統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，既不符合國家相關用水政策，也不利于植物生長。

大面積空曠綠化區域，沿著供水管道按照每5～10 m距離設置一個終端控制單元，有利于統一進行澆灌作業。終端控制單元既受服務器控制，也可以脫離TCP網絡，以邊緣計算的方式，獨立控制澆灌作業。特殊要求的綠化區域，可以根據實際需要，將終端控制單元靈活布置在校園任意位置，但設備之間的距離不能超過藍牙有效傳輸距離，否則容易導致設備脫網，數據無法跳轉。

所有終端控制單元與藍牙網關組網成功后，通過WiFi接入校園以太網，網關與服務器之間利用WebSocket協議進行長連接通信，保證信息交換的實時性。服務器程序對Mesh網絡數據進行處理、存儲和顯示，手動或自動下發控制策略。

客戶端通過PC或移動App連接服務器，對系統進行數據查看或遠程操控。目前絕大多數手持移動終端都內置藍牙芯片，所以移動App也可以不需要網關，直接與終端控制單元進行藍牙連接。

4 系統主要控制策略

校園綠化澆灌系統主要控制澆水時間節點、澆水量和澆水頻率三個參數。系統根據氣候、土壤、季節等環境因素及不同植物的種類、習性等生長因素，制定專業的澆灌策略。

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

（2）按照不同植物種類進行分組控制，設定各組的澆水量。以校園綠化最常見的草坪為例，在春夏生長季節，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水約50 mm，冬季則監測到土壤干燥才澆水，且保持土壤輕微濕潤即可。

（3）按照不同植物習性進行分組控制，設定各組澆水頻率。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）系統還要結合天氣預報信息，自主制定階段性的澆灌策略。既定策略在實施前，程序對當前時間節點的前后3～7天的天氣信息進行綜合分析，滿足條件，才能啟動系統實施澆灌。

5 實驗結果分析

在校園綠化區域中選取不同種類植物，以2023年無錫市3～6月天氣數據為參數，分析系統能否按照預期的策略實施澆灌。3月13日往前多日無雨，預計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，預計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。實驗數據如表1所示。

表1 系統運行采樣分析表

系統多次實驗結果的正確率統計如表2所示，系統根據當期實際環境自主判斷的正確率平均為91%。由實驗數據可知，基于藍牙Mesh技術的校園綠化澆灌系統基本能夠按照預期目標實施澆灌，系統功能滿足設計需求。

表2 系統運行正確率統計表

6 結論

通過結合物聯網技術、單片機技術和互聯網通信協議，設計了一套基于藍牙Mesh技術，能夠實現遠程管控、自主判斷的校園綠化澆灌系統。系統構建方式簡單，后期維護便捷，能有效克服傳統人工澆灌模式的弊端。將設計的系統在某高校進行試用，實驗效果良好。該校目前有綠化面積31萬m2，通過使用該系統，綠化養護人員從34人下降到29人，每年節約綠化用水約15 000 m3，既有效地降低了人力成本，又實現了節約水資源的目標。