基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監(jiān)控系統(tǒng)

孫紅嚴(yán) 王茂林 馬德新

摘要：在溫室茶園中，溫度、濕度、光照度、土壤含水量等是影響茶樹(shù)生長(zhǎng)與茶葉產(chǎn)量的關(guān)鍵因素，但這些環(huán)境因子難以監(jiān)控與控制。該研究提出了一種基于低成本高性能的Raspberry Pi，通過(guò)ZigBee技術(shù)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)來(lái)監(jiān)控溫室茶園環(huán)境的變量因素的系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)穩(wěn)定、使用方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溫室茶園智能監(jiān)控，對(duì)促進(jìn)茶樹(shù)生長(zhǎng)和茶葉產(chǎn)量提高具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：溫室茶園;ZigBee;Raspberry Pi;傳感器網(wǎng)絡(luò);智能監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP2? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2019）14-0134-04

Abstract： In greenhouse tea plantation， temperature， humidity， light intensity， soil water content and so on are the key factors affecting the growth of tea tree and tea yield， but these environmental factors are difficult to monitor and control. Therefore， this paper proposes a low-cost and high-performance Raspberry Pi， a sensor network model composed of ZigBee technology， combined with the internet of things to measure the variable factors of greenhouse tea garden. In this system， tea farmers can use the mobile phone APP and PC side to monitor the tea plantation greenhouse environment information in real time， and adjust these factors. Experiments showed that the system has the characteristics of accurate data transmission， stable monitoring data， easy to use and simple， and has great practical significance for realizing the intelligent monitoring of greenhouse tea garden， promoting the growth of tea tree and improving the yield of tea.

Key words： greenhouse tea plantation; ZigBee; Raspberry Pi; wireless sensor networks; intelligent monitoring

茶樹(shù)[Camellia sinensis（L.） O.Ktze]為山茶屬，是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。茶樹(shù)具有喜陰、耐溫、喜濕的生長(zhǎng)習(xí)性，主要分布在暖溫帶、亞熱帶和邊緣熱帶，最早起源于中國(guó)西南部濕潤(rùn)多雨的原始森林[1，2]。在茶樹(shù)在實(shí)際的生長(zhǎng)過(guò)程中，對(duì)溫度、濕度、光照度、土壤濕度等影響因素要求較高，而目前中國(guó)茶園溫室監(jiān)控發(fā)展方面存在不足，所以實(shí)現(xiàn)溫室茶園環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要問(wèn)題。

隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，無(wú)線傳感網(wǎng)路（WSN）技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，可以提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，降低投入成本[3]。Raspberry Pi（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為RPi）是一種低成本的Linux計(jì)算機(jī)，可使用Python進(jìn)行編程，為使用者提供了一個(gè)良好的操作環(huán)境[4]。本研究開(kāi)發(fā)了基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以RPi為主要控制處理器，通過(guò)ZigBee技術(shù)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室茶園種植基地中進(jìn)行了小型試驗(yàn)，對(duì)相關(guān)環(huán)境因子進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，取得了一些的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論成果，對(duì)溫室茶園智能監(jiān)控的發(fā)展有一定的參考價(jià)值并提供技術(shù)支持。

1? 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1? 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ZigBee在IEEE 802.15.4 MAC/PHY標(biāo)準(zhǔn)之上工作，定義了支持可靠多跳無(wú)線通信的更高層，它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D根據(jù)需求可支持星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀型，非常靈活多變，便于操作[5]。基于RPi的溫室茶園智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、控制層、應(yīng)用層四部分組成。在網(wǎng)絡(luò)層中主要由WiFi、GPRS、ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)組成，在監(jiān)控模塊中傳感器終端節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵核心部分，通過(guò)各種傳感器采集茶園環(huán)境因子，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)控制層。控制層主要有RPi、風(fēng)機(jī)、卷簾機(jī)、補(bǔ)光燈等組成，RPi作為控制系統(tǒng)的核心處理部分，它與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)達(dá)到警戒值時(shí)用戶(hù)可以通過(guò)可視化界面進(jìn)行操作，控制卷簾機(jī)、風(fēng)扇等機(jī)器進(jìn)行工作。應(yīng)用層主要是指手機(jī)端、PC端以及后臺(tái)控制端組成，種植戶(hù)可以通過(guò)它們?nèi)?shí)時(shí)監(jiān)控茶樹(shù)生長(zhǎng)情況以及茶園環(huán)境情況，保證茶樹(shù)的正常生長(zhǎng)，以提高經(jīng)濟(jì)效益。

1.2? 環(huán)境信息采集模塊

環(huán)境信息采集模塊主要是對(duì)各種傳感器的采集信息控制，包括溫濕度傳感器、土壤水分傳感器、光照度傳感器、CO2濃度傳感器等。該模塊中主要運(yùn)用了ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器采集的數(shù)據(jù)上傳至中心節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要有四部分構(gòu)成，分別是傳感器單元、處理單元、通信單元以及電源。其中，傳感器模塊進(jìn)行溫室內(nèi)信息采集以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;處理模塊負(fù)責(zé)全部傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)作、儲(chǔ)存以及處理數(shù)據(jù);通信模塊則進(jìn)行各節(jié)點(diǎn)之間的通信;電源模塊提供傳感器運(yùn)行所需要的能量。在茶園溫室的不同地方布置大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)（GPRS、WiFi）接入Internet。

1.3? Raspberry Pi處理模塊

系統(tǒng)采用RPi3b+，在剛開(kāi)機(jī)時(shí)啟動(dòng)上傳、存儲(chǔ)、監(jiān)控、控制4個(gè)主程序。上傳的數(shù)據(jù)是由安裝在溫室內(nèi)的各種傳感器收集的，傳感器全部采用RS485串行通信接口，RS485采用二線差分平衡傳輸，具有傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性高等優(yōu)點(diǎn)。在傳感器與RPi之間使用Modbus通信協(xié)議，是Modicon公司（現(xiàn)在的施耐德電氣Schneider Electric公司）在1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發(fā)表，現(xiàn)在已成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)（De facto）[6]。

Modbus通信協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：①?zèng)]有版權(quán)方面的要求;②部署簡(jiǎn)單，容易操作;③修改移動(dòng)比特節(jié)無(wú)更多限制[7]。RPi與控制箱之間采用通用串行總線進(jìn)行連接，具體實(shí)物如圖3所示。

RPi存儲(chǔ)主要采用外部插入的SD卡進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，由于SD儲(chǔ)存數(shù)據(jù)量有限，所以需要上傳至上位機(jī)，RPi通過(guò)連接本地MySQL只進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的存儲(chǔ)。RPi讀取傳感器數(shù)據(jù)的主要程序如下（以CO2傳感器為例），程序主要使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，程序代碼為：

2? Web服務(wù)器與應(yīng)用端

2.1? Web服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

租用阿里云數(shù)據(jù)庫(kù)與服務(wù)器，在云端服務(wù)器安裝MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，可以開(kāi)放云盾3036端口，這樣能夠遠(yuǎn)程連接數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)信息共享。在RPi上server.py，在云服務(wù)器上運(yùn)行server.py，服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)鏈接請(qǐng)求，server.py中包含數(shù)據(jù)庫(kù)操作代碼，客戶(hù)端鏈接和斷開(kāi)都會(huì)插入數(shù)據(jù)，可通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的方式將客戶(hù)端鏈接情況顯示在Web上，RPi通過(guò)傳感器所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都會(huì)上傳至云端，通過(guò)應(yīng)用端被用戶(hù)讀取，這樣就解決了RPi存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有限的問(wèn)題，也方便了用戶(hù)操作。

2.2? 移動(dòng)端應(yīng)用功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)端APP具有操作簡(jiǎn)單方便、界面人性化、具備數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能等優(yōu)勢(shì)，能夠提高用戶(hù)體驗(yàn)[8]。選擇AppMaker為制作平臺(tái)進(jìn)行APP端的開(kāi)發(fā)，基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監(jiān)控系統(tǒng)在移動(dòng)端APP登錄后，主頁(yè)面如圖4a所示，點(diǎn)擊城陽(yáng)東旺瞳村大棚北9711頁(yè)面，如圖4b所示。用戶(hù)可操作主要包括以下模塊：

1）用戶(hù)管理：可以查看用戶(hù)數(shù)據(jù)、修改、添加、刪除信息。

2）數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊：查看溫室內(nèi)環(huán)境因子的實(shí)時(shí)信息，查詢(xún)歷史紀(jì)錄，并且可以表格與折線圖相互切換，數(shù)據(jù)清晰明了。

3）控制模塊：根據(jù)數(shù)據(jù)信息控制溫室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行工作。

4）互動(dòng)交流平臺(tái)：用戶(hù)可以在該APP應(yīng)用上與茶園專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作人員進(jìn)行交流，以獲得更好的管理技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)。

2.3? PC端網(wǎng)站設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要使用Eclipse進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Java Web 技術(shù)搭建網(wǎng)站，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。Web的后臺(tái)制作主要使用了Java語(yǔ)言、C語(yǔ)言，jQuery、ajax技術(shù)主要被使用在Web的前端，用來(lái)實(shí)時(shí)顯示被測(cè)數(shù)據(jù)[9]。具體主頁(yè)面如圖5所示，點(diǎn)擊地圖模塊如圖6所示。

3? 小結(jié)

本研究提出一種基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要使用了ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室茶園內(nèi)溫濕度、土壤含水量以及CO2濃度等環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)，而且使用RPi進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)這些環(huán)境因素達(dá)到或者接近于此值時(shí)會(huì)反饋一個(gè)警報(bào)給用戶(hù)，用戶(hù)可以通過(guò)APP端和PC端調(diào)節(jié)溫室內(nèi)風(fēng)扇、自動(dòng)卷簾機(jī)、手動(dòng)開(kāi)啟施肥灌水機(jī)器設(shè)備進(jìn)行工作，為茶樹(shù)生長(zhǎng)提供一個(gè)良好的環(huán)境。該系統(tǒng)在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)兩處小面積溫室茶園內(nèi)進(jìn)行了試驗(yàn)，并能成功運(yùn)行。采用RPi能夠節(jié)省成本、易于操作、提質(zhì)增產(chǎn)，為茶園溫室監(jiān)控技術(shù)開(kāi)拓了新的方法，具有一定的應(yīng)用前景。

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