物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)在溫室花卉中的應(yīng)用研究

黃斌 鄧雨坤 白千一 么賀貴

摘 ?要：在溫室花卉種植過程中，傳統(tǒng)的管理方式落后，自動(dòng)化性能較差，為達(dá)到溫室花卉智慧種植，文章提出使用樹莓派進(jìn)行溫室花卉監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。通過DHT11獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，利用樹莓派3B對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并開發(fā)了一套APP供用戶隨時(shí)讀取溫室環(huán)境中溫濕度信息，方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室的溫濕度。經(jīng)在智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心的實(shí)際運(yùn)行檢測，系統(tǒng)運(yùn)行良好，有一定的推廣空間。

關(guān)鍵詞：樹莓派;監(jiān)測系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP391.44;TN929.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0175-03

Abstract：In the process of greenhouse flower planting，the traditional management method is backward，and the automation performance is low. In order to achieve the intelligent cultivation of greenhouse flowers，this paper proposes the design scheme of greenhouse flowers monitoring system using Raspberry Pi. Through DHT11 to obtain greenhouse environmental data，Raspberry Pi 3B was used to analyze the obtained data，and a set of APP was developed for users to read the temperature and humidity information of greenhouse environment at any time，so as to facilitate users to monitor the temperature and humidity of greenhouse in real time. After the actual operation and detection in the Intelligent Agricultural Engineering Research Center，the system runs well and has certain promotion space.

Keywords：Raspberry Pi;monitoring system;internet of things

0 ?引 ?言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物種植依然是農(nóng)民的主要收入途徑。隨著近幾年智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代種植業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，既提高了現(xiàn)代種植業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也大大降低了人力勞動(dòng)成本。

然而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際操作中依然面臨一些困難。農(nóng)業(yè)種植管理依然保持傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式階段，且主要靠人力進(jìn)行管理，通過提高作物的產(chǎn)量與品質(zhì)來發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。大部分土地種植經(jīng)營者文化水平不高，種植技術(shù)比較落后，外加天氣的經(jīng)常變化及季節(jié)更替，大田種植不宜于管理與現(xiàn)代化器械設(shè)備的應(yīng)用。為了有效利用耕地，改善植物生長環(huán)境，方便管理，規(guī)模化的大棚種植發(fā)展成為了一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)。

應(yīng)用溫室大棚種植農(nóng)作物，在中國北方地區(qū)應(yīng)用很廣，人們常說的大棚菜就是利用溫室技術(shù)種植出來的蔬菜。雖然說溫室技術(shù)在我國應(yīng)用很廣，但是都是溫室技術(shù)的簡單應(yīng)用，利用塑料薄膜把農(nóng)作物罩起來保溫保濕，屬于學(xué)術(shù)上談到的日光溫室技術(shù)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的智能溫室應(yīng)用較少。[1]

本文依據(jù)數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)學(xué)科項(xiàng)目研究內(nèi)容進(jìn)行論述，以吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心作為數(shù)據(jù)采集基地，主要在溫室花卉種植方面采用樹莓派小電腦讀取溫室花卉溫濕度數(shù)據(jù)，通過傳感器技術(shù)與嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)對溫室花卉植物生長環(huán)境信息的感知，獲取環(huán)境數(shù)據(jù)來分析花卉植物的最佳生長條件，方便規(guī)模花卉種植者進(jìn)行精準(zhǔn)管理。

1 ?樹莓派概述

樹莓派是Raspberry Pi電腦板的中文譯名，是世界上最小的卡片式電腦。近年來，樹莓派由于其外形小巧、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)，在開源硬件領(lǐng)域成為高階的硬件產(chǎn)品。[2]樹莓派早期有A和B兩個(gè)型號，后期又推出B+和A+兩個(gè)型號，目前已經(jīng)更新到第四代。就像其他任何一臺運(yùn)行Linux系統(tǒng)的臺式計(jì)算機(jī)或者便攜式計(jì)算機(jī)那樣，利用樹莓派可以做很多事情。它可以使用SD卡作為“硬盤”，可以外接USB硬盤;可以播放視頻，甚至可以通過電視機(jī)的USB接口供電。通過樹莓派實(shí)現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景為物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)提供了硬件基礎(chǔ)。利用物聯(lián)網(wǎng)來監(jiān)測和維護(hù)植物的正常生長，使用傳感器與植物相結(jié)合，監(jiān)測植物的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

2 ?硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)部分通過溫濕度傳感器獲得溫室土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)信息，通過樹莓派讀取傳感器中的數(shù)據(jù)并將其傳到物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中，具體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.1 ?數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用溫濕度傳感器DHT11，這是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器。[3]濕度±5%RH，溫度±2 ℃，量程濕度20%～90%RH，溫度0～50 ℃。

每次查詢數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間要大于2 s，否則可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。首先由主機(jī)發(fā)送起始信號，起始信號為低電平，時(shí)間大于18 ms然后傳感器開始應(yīng)答，先輸出80 μs的低電平，然后輸出 80 μs的高電平，提醒主機(jī)準(zhǔn)備接收信號。隨后傳感器開始傳輸數(shù)據(jù)，共發(fā)射四十位數(shù)據(jù)，前八位為溫度數(shù)據(jù)整數(shù)位，再往后八位為溫度數(shù)據(jù)小數(shù)位，再往后八位是濕度數(shù)據(jù)整數(shù)位，再往后八位是濕度數(shù)據(jù)小數(shù)位，再往后八位是校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)0的表示方式為50 μs的低電平加26～28 μs的高電平;數(shù)據(jù)1的表示方式為50 μs的低電平加70 μs的高電平。

校驗(yàn)方式為：數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末八位。

2.2 ?數(shù)據(jù)分析模塊

該模塊選用樹莓派3B版本。通過樹莓派小電腦驅(qū)動(dòng)地表感知傳感器采集空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等常見的植物生長性狀，并將感知層采集到的信息通過Wi-Fi上傳到數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，方便數(shù)據(jù)的調(diào)用。并可通過相應(yīng)軟件對其數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作。系統(tǒng)采用Python語言進(jìn)行代碼的編輯，MySQL作為數(shù)據(jù)庫。通過整合代碼，實(shí)現(xiàn)間隔m分鐘自動(dòng)采集傳感器數(shù)據(jù)，并傳給MySQL。其核心代碼如下所示：

def main（m=0）：

print（"Start collection data，interval [%s] minutes" %（m））;

while True：

while True：

now=datetime.datetime.now（）

ifnow.minute % m == 0：

break

time.sleep（20）

print（datetime.datetime.now（））

caiji（pos）

if m>1：

time.sleep（（m-1）*60）

else：

time.sleep（60）

main（10）

電路配置方面，選用DHT11型號的溫濕度傳感器，使用3.3 V電源將其接到樹莓派和面包板中，然后將樹莓派GP10口接到面包板上，在面包板上插入一個(gè)10 000 Ω的電阻即可。

2.3 ?ActorCloud

ActorCloud是由杭州映云科技有限公司開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，基于EMQ X企業(yè)級消息中間件，是面向企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一站式支撐服務(wù)系統(tǒng)，能夠協(xié)助企業(yè)在幾天內(nèi)實(shí)現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的全面管控，并建立起與企業(yè)IT流程融合的運(yùn)維與運(yùn)營體系。ActorCloud提供企業(yè)內(nèi)部的私有部署能力，具有更強(qiáng)的可控性和安全性。

3 ?軟件部分

為方便用戶實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室花卉數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境的智能控制，通過軟件設(shè)計(jì)GUI界面。主要使用Android進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟硬件之間依靠Socket通信進(jìn)行交流，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)客戶端對樹莓派服務(wù)器端的控制。[4]系統(tǒng)主要包括登錄模塊、環(huán)境數(shù)據(jù)查詢與分析、歷史數(shù)據(jù)查詢、視頻監(jiān)控模塊。系統(tǒng)開機(jī)初始化后進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)界面，通過獲取傳感器數(shù)據(jù)顯示土壤溫度、濕度等屬性信息，當(dāng)某一屬性信息達(dá)到臨界值時(shí)將啟用報(bào)警模式。主要模塊效果如圖2所示。

（1）用戶登錄模塊。該模塊主要包括一個(gè)用戶登錄入口、用戶注冊接口、取回用戶密碼接口和幫助說明;（2）溫濕度監(jiān)控模塊。該模塊主要用于接收樹莓派傳來的電信號加以處理并作為溫濕度表盤所顯示的數(shù)據(jù)來源，APP利用ActorCloud開源平臺間接接收信號，表盤接收信息加以處理顯示;（3）歷史記錄查詢模塊。此模塊具有查詢功能，幫助用戶獲取近期溫濕度變化折線圖，利于用戶改善種植計(jì)劃;（4）溫濕度自反饋模塊。此功能模塊具有基于大數(shù)據(jù)的分析預(yù)測機(jī)制，可對未來數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，利用歷史數(shù)據(jù)及函數(shù)分析得出預(yù)測函數(shù)，加以分析計(jì)算產(chǎn)生預(yù)測數(shù)據(jù)，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，做出相應(yīng)反饋，使用戶獲得最大經(jīng)濟(jì)效益。并且此模塊還具有報(bào)警系統(tǒng)，可基于溫濕度變化閾值做出自反饋，發(fā)出報(bào)警;（5）用戶體驗(yàn)反饋模塊。該功能模塊提供一個(gè)向開發(fā)者反饋的渠道，以便更好地了解用戶的需求及解決用戶所遇到的問題，方便開發(fā)者對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化、升級和維護(hù);（6）云論壇模塊。此模塊分為用戶交流平臺、相關(guān)商品推送、數(shù)據(jù)庫查詢、及公告欄等幾部分。給用戶們提供一個(gè)多維度的交流平臺，方便用戶進(jìn)行知識學(xué)習(xí)、了解市場最新需求及商業(yè)合作信息，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)品的銷售，利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于用戶的反饋進(jìn)行回復(fù)及新版本優(yōu)化公示等。

4 ?測試與結(jié)果

系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。通過測試可以看到運(yùn)行多次的結(jié)果可能不一致，這是正常情況，因?yàn)檫@個(gè)型號的溫濕度傳感器本身就不是非常精確的傳感器，且環(huán)境溫度一直在變化。

通過以下調(diào)節(jié)方式查看溫度傳感器的變化情況：（1）用手掌握住傳感器，可以利用人體體溫加熱，讓傳感器測量的溫度上升;（2）通過物理方式給傳感器降溫，讓傳感器測量的溫度下降;（3）不停測量溫度的變化情況。

5 ?結(jié) ?論

本文利用樹莓派小電腦在溫室花卉種植方面進(jìn)行溫濕度的監(jiān)控，并提出供用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的APP的設(shè)計(jì)方案。用戶通過查看APP界面可以方便地瀏覽溫室當(dāng)前的溫濕度或歷史記錄值，軟件還可以通過歷史記錄值對未來的溫濕度進(jìn)行預(yù)測并為用戶提供交流平臺，為用戶進(jìn)行溫室花卉養(yǎng)殖提供便利。通過在智慧農(nóng)業(yè)工程研究中心的實(shí)際使用，該系統(tǒng)的效果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋志揚(yáng).基于樹莓派的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電腦知識與技術(shù)，2019，15（6）：205-206.

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[3] 李雅婷，史文雅，金紅娟，等.基于樹莓派的智能加濕器的設(shè)計(jì) [J].電子世界，2019（24）：139-140.

[4] 王鋼，黃連麗，張松峰，等.基于樹莓派的智能家居系統(tǒng) [J].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2019（32）：85-87+100.

作者簡介：黃斌（1982.12—），女，漢族，吉林永吉人，系主任，講師，碩士，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù);鄧雨坤（2000. 02—），男，漢族，吉林延吉人，就讀于電氣與信息工程學(xué)院軟件工程系，本科在讀，研究方向：軟件工程。