基于樹(shù)莓派和云平臺(tái)的智能花卉澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張欽然 牛軍

南陽(yáng)理工學(xué)院信息工程學(xué)院 河南 南陽(yáng) 473000

引言

近幾年來(lái)，隨著人民生活的越來(lái)越好以及科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，追求高質(zhì)量的生活的人也變得越來(lái)越多，在房間或者辦公室里養(yǎng)一些綠色植物，變成了大多數(shù)人的選擇。一些合適的植物能夠凈化有害物體，幫助人們放松壓力、增氧[1]，但是在培育過(guò)程中人們常常疏于對(duì)植物的照顧，使得植物死亡。在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，2014年Ahmed等在文獻(xiàn)[2]中涉及了一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器的花草智能澆灌系統(tǒng)，通過(guò)傳感器檢測(cè)土壤的濕度，然后遠(yuǎn)程控制澆水裝置，高效的對(duì)作物進(jìn)行了灌溉。在我國(guó)，學(xué)者汪曉晨在文獻(xiàn)[3]中討論了一種自主澆花系統(tǒng)，采用了AVR微控芯片為主控設(shè)備，通過(guò)微控芯片控制繼電器實(shí)現(xiàn)澆水。學(xué)者崔慶權(quán)等人在文獻(xiàn)[4]中實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的智能控制澆花系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，能夠根據(jù)土壤的濕度對(duì)植物自動(dòng)澆水。但是以上均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)的控制。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于樹(shù)莓派和云平臺(tái)的智能花卉澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)由樹(shù)莓派中央控制系統(tǒng)、各種傳感器和阿里云IoT平臺(tái)三部分構(gòu)成。具體系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器DHT11獲取空氣溫濕度；通過(guò)HCSR04超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的精準(zhǔn)監(jiān)控；通過(guò)DFROBOT電阻式土壤濕度傳感器完成對(duì)土壤濕度的精確采集，繼而控制繼電器、蜂鳴器等硬件模塊[5]。傳感器將采集到的信息傳輸?shù)綐?shù)莓派，樹(shù)莓派通過(guò)自帶的Wi-Fi信號(hào)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨⒗镌艻oT平臺(tái)，使得采集的數(shù)據(jù)在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)存儲(chǔ)并且實(shí)時(shí)刷新，從而實(shí)現(xiàn)了樹(shù)莓派與阿里云IoT平臺(tái)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。通過(guò)阿里云飛燕平臺(tái)，搭建基礎(chǔ)的手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端與阿里云IoT平臺(tái)的互聯(lián)，從而完成樹(shù)莓派、阿里云IoT平臺(tái)、移動(dòng)端三端數(shù)據(jù)互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)當(dāng)前環(huán)境信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且通過(guò)手機(jī)對(duì)花盆的進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 空氣溫濕度模塊電路設(shè)計(jì)

該部分電路原理圖如圖2所示，DHT11通過(guò)采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)P3.0引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送至樹(shù)莓派。

圖2 DHT11電路原理圖

2.2 土壤濕度模塊電路設(shè)計(jì)

對(duì)于土壤濕度的采集，所運(yùn)用的是DFROBOT電阻式土壤濕度傳感器，其原理圖如圖3所示。由于輸出信號(hào)為模擬信號(hào)，不能被樹(shù)莓派直接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此需要經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換。該傳感器在檢測(cè)時(shí)，土壤濕度越大，數(shù)值越小。同時(shí)在傳感器的表面進(jìn)行了鍍金處理，增加了它的導(dǎo)電性和抗腐性，使得它可以使用更長(zhǎng)的時(shí)間。

圖3 土壤濕度模塊電路原理圖

2.3 數(shù)模模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊電路設(shè)計(jì)

由于土壤濕度傳感器采集信息后輸出模擬信號(hào)，因此需要將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，此處采用PCF8591模塊，接受模擬信號(hào)并實(shí)時(shí)獲取土壤濕度值。PCF8591原理圖如圖4所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換器PCF8591是一個(gè)有著高準(zhǔn)確度、高效率的采集元件，同時(shí)采用串行I2C的通信方式，有著4輸入1輸出的模擬信息傳輸，數(shù)據(jù)地址的輸入與輸出以及控制都是經(jīng)過(guò)I2C總線并且進(jìn)行并行傳輸。

圖4 PCF8591模塊電路原理圖

2.4 水位測(cè)量模塊電路設(shè)計(jì)

HC-SR04超聲波傳感器原理圖如圖5所示，其具體工作原理為：

圖5 PCF8591模塊電路原理圖

2.4.1 TRIG引腳開(kāi)啟測(cè)試，給予該引腳一個(gè)高電平輸出，記錄當(dāng)前時(shí)間Tstar。

2.4.2 再發(fā)送高電平的同時(shí)在ECHO端輸出一個(gè)低電平。

2.4.3 當(dāng)樹(shù)莓派收到數(shù)據(jù)返回時(shí)，給予ECHO引腳一個(gè)高電平，記錄當(dāng)前時(shí)間Tend。

2.4.4 所測(cè)的距離為（Tstar-Tend*聲音的速度）/2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)APP軟件是通過(guò)飛燕平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比于阿里云IoT studio工具構(gòu)建APP發(fā)布時(shí)需要進(jìn)行域名的安全備份，飛燕平臺(tái)的APP設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)便，并且同屬阿里云旗下，移植方便。該APP的構(gòu)建主要分為四個(gè)部分：功能定義、人機(jī)交互、設(shè)備調(diào)試、批量生產(chǎn)。配置完成后，即可完成手機(jī)APP軟件的設(shè)計(jì)，具體如圖6所示。

圖6 手機(jī)APP界面圖

3.2 主系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序流程如圖7所示。

圖7 主系統(tǒng)程序流程圖

當(dāng)用戶拿起手機(jī)，打開(kāi)APP時(shí)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)與阿里云進(jìn)行連接，當(dāng)連接成功后，會(huì)自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前的環(huán)境信息，判斷當(dāng)前環(huán)境是否正常，若當(dāng)前蓄水池水位過(guò)低時(shí)，會(huì)打開(kāi)蓄水池進(jìn)水開(kāi)關(guān)；當(dāng)土壤干燥時(shí)，打開(kāi)澆水開(kāi)關(guān)；當(dāng)前溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)對(duì)手機(jī)進(jìn)行低溫告警推送，及時(shí)告知用戶，從而保證植物的正常生長(zhǎng)。

4 系統(tǒng)功能調(diào)試及分析

4.1 功能調(diào)試

本文制作的智能花卉澆灌系統(tǒng)實(shí)物如圖8所示。在調(diào)試過(guò)程中，首先對(duì)澆灌系統(tǒng)進(jìn)行了功能調(diào)試，然后進(jìn)行手機(jī)APP的連接測(cè)試，最后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，完成了整個(gè)的功能調(diào)試。

圖8 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

4.1.1 裝置功能的調(diào)試，正常開(kāi)機(jī)后，樹(shù)莓派自動(dòng)與阿里云相連。樹(shù)莓派將采集到的房間信息上傳至阿里云，此時(shí)可以在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)看到實(shí)時(shí)刷新的環(huán)境信息，其中蓄水池水位與房間溫度數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖9 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)顯示界面

4.1.2 手機(jī)APP功能調(diào)試，手機(jī)APP顯示界面如圖10所示。此時(shí)澆水開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，當(dāng)按下【進(jìn)水開(kāi)關(guān)】鍵，手機(jī)會(huì)通過(guò)阿里云將指令傳輸至樹(shù)莓派，樹(shù)莓派通過(guò)訂閱相應(yīng)主題，接收到該指令，并打開(kāi)進(jìn)水開(kāi)關(guān)（此處用繼電器代替）。如圖11所示。當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)向用戶手機(jī)APP發(fā)送溫度過(guò)低報(bào)警，如圖12所示。

圖10 手機(jī)APP顯示界面

圖11 兩個(gè)繼電器開(kāi)啟

圖12 手機(jī)APP告警推送

從長(zhǎng)時(shí)間觀察分析來(lái)看，此智能澆灌系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的、智能化的完成對(duì)植物的實(shí)時(shí)監(jiān)控且根據(jù)當(dāng)前環(huán)境對(duì)植物進(jìn)行澆水操作。數(shù)據(jù)的更新十分高效且告警信息的主動(dòng)推送使得使用者能夠更加方便快捷地得知植物目前的危險(xiǎn)狀況。從成本來(lái)看，數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)需要向阿里云IoT平臺(tái)繳納一定的費(fèi)用，但是費(fèi)用十分微小可忽略不計(jì)。綜合來(lái)看，此設(shè)計(jì)成本低廉，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新并且實(shí)行對(duì)花卉的智能化管理。具有一定給市場(chǎng)價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要工作為設(shè)計(jì)智能花卉澆灌系統(tǒng)，樹(shù)莓派具有運(yùn)行穩(wěn)定、高效、安全等特點(diǎn)。再加上通過(guò)阿里云IoT云平臺(tái)使得整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控，很大程度上為澆灌系統(tǒng)增加了智能化和時(shí)效性，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母纳啤?/p>

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要應(yīng)用于實(shí)際，需要不斷完善與改良，未來(lái)對(duì)于智能澆灌系統(tǒng)有如下的期望：

將人工智能與澆灌系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)采集數(shù)據(jù)的進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

對(duì)澆灌時(shí)間進(jìn)行收集，有針對(duì)性地對(duì)不同作物進(jìn)行不同的澆灌分析。

結(jié)合相關(guān)的植物健康數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物病狀的實(shí)時(shí)分析。