基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監控系統

孫紅嚴 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生長與茶葉產量的關鍵因素，但這些環境因子難以監控與控制。該研究提出了一種基于低成本高性能的Raspberry Pi，通過ZigBee技術組成的傳感器網絡模型，結合物聯網來監控溫室茶園環境的變量因素的系統。結果表明，該系統具有數據傳輸準確、監控數據穩定、使用方便簡單等特點，實現了溫室茶園智能監控，對促進茶樹生長和茶葉產量提高具有重要的現實意義。

關鍵詞：溫室茶園;ZigBee;Raspberry Pi;傳感器網絡;智能監控

中圖分類號：TP2? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：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[Camellia sinensis（L.） O.Ktze]為山茶屬，是重要的經濟作物之一。茶樹具有喜陰、耐溫、喜濕的生長習性，主要分布在暖溫帶、亞熱帶和邊緣熱帶，最早起源于中國西南部濕潤多雨的原始森林[1，2]。在茶樹在實際的生長過程中，對溫度、濕度、光照度、土壤濕度等影響因素要求較高，而目前中國茶園溫室監控發展方面存在不足，所以實現溫室茶園環境實現智能監控是農業生產中的一個重要問題。

隨著現代網絡技術和集成電路的迅速發展，無線傳感網路（WSN）技術在精準農業生產中具有廣闊的應用前景，可以提高作物產量和質量，降低投入成本[3]。Raspberry Pi（以下簡稱為RPi）是一種低成本的Linux計算機，可使用Python進行編程，為使用者提供了一個良好的操作環境[4]。本研究開發了基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監控系統，該系統以RPi為主要控制處理器，通過ZigBee技術組成的傳感器網絡模型結合物聯網技術在青島農業大學溫室茶園種植基地中進行了小型試驗，對相關環境因子進行遠程監控和管理，取得了一些的實踐經驗和理論成果，對溫室茶園智能監控的發展有一定的參考價值并提供技術支持。

1? 系統架構

1.1? 系統總體結構

ZigBee在IEEE 802.15.4 MAC/PHY標準之上工作，定義了支持可靠多跳無線通信的更高層，它的網絡拓撲圖根據需求可支持星型、樹型和網狀型，非常靈活多變，便于操作[5]。基于RPi的溫室茶園智能監控系統結構如圖1所示，系統主要由網絡層、傳輸層、控制層、應用層四部分組成。在網絡層中主要由WiFi、GPRS、ZigBee傳感器節點、匯聚節點組成，在監控模塊中傳感器終端節點是關鍵核心部分，通過各種傳感器采集茶園環境因子，并將采集到的數據傳輸至數據控制層。控制層主要有RPi、風機、卷簾機、補光燈等組成，RPi作為控制系統的核心處理部分，它與協調器節點進行連接，并上傳至數據庫，當達到警戒值時用戶可以通過可視化界面進行操作，控制卷簾機、風扇等機器進行工作。應用層主要是指手機端、PC端以及后臺控制端組成，種植戶可以通過它們去實時監控茶樹生長情況以及茶園環境情況，保證茶樹的正常生長，以提高經濟效益。

1.2? 環境信息采集模塊

環境信息采集模塊主要是對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。該模塊中主要運用了ZigBee傳感器網絡技術，無線傳感器網絡節點結構如圖2所示，傳感器采集的數據上傳至中心節點。傳感器節點主要有四部分構成，分別是傳感器單元、處理單元、通信單元以及電源。其中，傳感器模塊進行溫室內信息采集以及數據轉換;處理模塊負責全部傳感器節點的運作、儲存以及處理數據;通信模塊則進行各節點之間的通信;電源模塊提供傳感器運行所需要的能量。在茶園溫室的不同地方布置大量的無線傳感器節點，這些節點通過網關（GPRS、WiFi）接入Internet。

1.3? Raspberry Pi處理模塊

系統采用RPi3b+，在剛開機時啟動上傳、存儲、監控、控制4個主程序。上傳的數據是由安裝在溫室內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、兼容性高等優點。在傳感器與RPi之間使用Modbus通信協議，是Modicon公司（現在的施耐德電氣Schneider Electric公司）在1979年為使用可編程邏輯控制器（PLC）通信而發表，現在已成為工業領域通信協議的業界標準（De facto）[6]。

Modbus通信協議具有以下優點：①沒有版權方面的要求;②部署簡單，容易操作;③修改移動比特節無更多限制[7]。RPi與控制箱之間采用通用串行總線進行連接，具體實物如圖3所示。

RPi存儲主要采用外部插入的SD卡進行讀取和存儲，由于SD儲存數據量有限，所以需要上傳至上位機，RPi通過連接本地MySQL只進行短時間內的存儲。RPi讀取傳感器數據的主要程序如下（以CO2傳感器為例），程序主要使用C語言進行編程，程序代碼為：

2? Web服務器與應用端

2.1? Web服務器設計與實現

租用阿里云數據庫與服務器，在云端服務器安裝MySQL數據庫，可以開放云盾3036端口，這樣能夠遠程連接數據庫實現信息共享。在RPi上server.py，在云服務器上運行server.py，服務器監聽鏈接請求，server.py中包含數據庫操作代碼，客戶端鏈接和斷開都會插入數據，可通過查詢數據庫的方式將客戶端鏈接情況顯示在Web上，RPi通過傳感器所采集的實時數據都會上傳至云端，通過應用端被用戶讀取，這樣就解決了RPi存儲數據有限的問題，也方便了用戶操作。

2.2? 移動端應用功能結構設計

移動端APP具有操作簡單方便、界面人性化、具備數據統計功能等優勢，能夠提高用戶體驗[8]。選擇AppMaker為制作平臺進行APP端的開發，基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監控系統在移動端APP登錄后，主頁面如圖4a所示，點擊城陽東旺瞳村大棚北9711頁面，如圖4b所示。用戶可操作主要包括以下模塊：

1）用戶管理：可以查看用戶數據、修改、添加、刪除信息。

2）數據查詢模塊：查看溫室內環境因子的實時信息，查詢歷史紀錄，并且可以表格與折線圖相互切換，數據清晰明了。

3）控制模塊：根據數據信息控制溫室內設備進行工作。

4）互動交流平臺：用戶可以在該APP應用上與茶園專業技術工作人員進行交流，以獲得更好的管理技術與經驗。

2.3? PC端網站設計

該系統主要使用Eclipse進行開發，Java Web 技術搭建網站，采用MySQL數據庫進行數據存儲。Web的后臺制作主要使用了Java語言、C語言，jQuery、ajax技術主要被使用在Web的前端，用來實時顯示被測數據[9]。具體主頁面如圖5所示，點擊地圖模塊如圖6所示。

3? 小結

本研究提出一種基于Raspberry Pi的溫室茶園智能監控系統，主要使用了ZigBee傳感器網絡技術、物聯網技術等。該系統實現了對溫室茶園內溫濕度、土壤含水量以及CO2濃度等環境因子的監測，而且使用RPi進行參數設定，當這些環境因素達到或者接近于此值時會反饋一個警報給用戶，用戶可以通過APP端和PC端調節溫室內風扇、自動卷簾機、手動開啟施肥灌水機器設備進行工作，為茶樹生長提供一個良好的環境。該系統在青島農業大學兩處小面積溫室茶園內進行了試驗，并能成功運行。采用RPi能夠節省成本、易于操作、提質增產，為茶園溫室監控技術開拓了新的方法，具有一定的應用前景。

參考文獻：

[1] 陳學林.現代茶葉產業技術[M].北京：中國農業大學出版社，2014.

[2] 曾? 貞.茶樹種質資源的收集鑒定與利用[J].茶葉通訊，2004（3）：14-19.

[3] DAVID L N，AZIZI H， FITRI M R，et al. Wireless sensor network coverage measurement and planning in mixed crop farming[J].Computers and electronics in agriculture，2014，105：83-94.

[4] NEWMARCH J，RASPBERRY P. In：Linux Sound Programming[M].Apress，Berkeley，CA，2017.

[5] KIM S H，CHONG P K，KIM T，et al. Performance study of routing protocols in ZigBee wireless mesh networks[J].Wireless personal communications，2017，95（2）：1829-1853.

[6] DRURY B. Control techniques drives and controls handbook[M].2nd. Institution of Engineering and Technology，2009.

[7] SCHNEIDER-ELECTRIC.Modicon modbus protocol reference guide[R].1996.

[8] 趙廷輝.智能手機APP應用前景及發展瓶頸探析[J].中國新通信，2018，20（19）：98.

[9] 宋凌霄.基于網站制作的Web前端開發設計[J].計算機產品與流通，2019（1）：41.