基于圖像檢測的家庭花草監護智能系統

薛 亮,鐘 麟,劉小韜,王建鋒

(西京學院 電子信息學院,陜西 西安 710123)

0 引言

有研究表明,在家庭中種植花草,可以幫助人們緩解壓力、調節情緒。 但現代人用來呵護家庭綠植的時間少之又少。 而近年來,人工智能逐漸被人們所熟知,也已經滲透到了各個領域,包括花草種植行業,傳統的養花方式也逐漸被智能養花方式所替代。 因此,人工智能可以滿足人們對省時省力地種植花草的需求,實現種植過程智能化。 本設計讓每天忙于工作的上班族也能給家庭中的花花草草營造一個舒適的環境。

本設計將一塊樹莓派4 代開發板作為核心控制器。 當植物所處的環境溫濕度超出該種植物的最佳溫度區間時,手機App 端會警告,進而可以進行相關的自動控制操作,比如開啟補光燈等。 當植物遭受蟲害時,傳統的處理方法是人工進行藥劑噴灑;而此設計可以在植物受到害蟲侵擾時,通過圖像識別處理判斷害蟲種類[1],自動使用對應的殺蟲藥劑。 本設計也可以進行濕度檢測,當濕度值超過適宜區間時,手機端可以選擇是否下達澆水命令。 當植物所處環境的pH 酸堿度異常時,用戶可以通過手機端選擇實時噴灑對應藥液等一系列操作。 本設計充分滿足了生活節奏快、疏于照顧家中植物的人們的需求,使得人們只需要利用日常零碎時間通過手機App 端進行相關操作,就可以使家中植物茁壯成長。

本文對基于樹莓派的智能花草監護系統的國內外發展現狀進行了研究,探討了基于樹莓派的花草監護系統的概念、實現方法、通信方式對完成花草監護系統設計的必要性和重要性。

1 系統方案設計

1.1 系統總體方案設計

該系統選用樹莓派4 代B 型開發板為開發平臺。樹莓派是一款基于ARM 的微型電腦主板,除了具備計算機的基本功能外,還配備GPIO 接口。

首先在樹莓派上安裝Web 服務器軟件等,然后通過GPIO 接口外接溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照監測傳感器等外圍設備,用于采集植物溫度、植物光照強度等數據,并將采集的數據存儲在云端服務器的數據庫中。 為了實時觀察植物的情況,該系統還外接攝像頭,通過編寫Python 程序將視頻傳輸至Web 服務器,用戶可以利用手機、電腦、平板等設備通過WiFi 網絡連接到Web 服務器上進行查看[2]。 該樹莓派4 代B 開發板平臺集 Web 服務器、數據庫、控制系統于一體,靈活小巧,便于用戶遠程監控。

1.2 硬件設計

基于圖像檢測的家庭花草監護智能系統是通過通信技術將控制設備、溫濕度傳感器、光照強度傳感器、攝像頭圖像識別等連接在一起。 該系統的硬件結構功能如下:

(1)主控模塊。 控制器是系統的核心,不僅承擔著聯系各個模塊的作用,還與采溫濕度傳感器、攝像頭等連接,具有統一管理、集中處理、控制的功能。 本系統采用樹莓派4 代B 開發板作為整套系統的控制器。

(2)攝像頭模塊。 對植物病蟲害等狀態進行監測。

(3)溫度傳感器。 對植物所處的環境溫度進行檢測。

(4)濕度傳感器。 對植物所處的環境濕度進行檢測。

(5)光照強度傳感器。 對植物所處環境的光照強度進行檢測。

(6)水泵抽取模塊。 用于對影響植物生長因素如溫濕度等相關調節。

(7)供電模塊。 對樹莓派4 代B 開發板提供5 V、1 A 的電源輸入。

1.2.1 樹莓派控制器

本文選用的樹莓派4 代B 開發板是一款提供開源軟件架構的微型電腦主板,與樹莓派3B+相比,樹莓派4B 在處理器速度、多媒體性能、內存和連接方面實現了突破性的增長,同時保留了向后兼容性和類似的功耗。 對用戶而言,樹莓派4B 提供的桌面性能可與入門級x86 PC 系統相媲美。 雖然它的尺寸只有信用卡大小,但是具有音視頻、藍牙、無線等PC 的所有功能,且功能強大,價格低廉,性價比極高,目前已經被廣泛用于物聯網的應用開發。

此外,樹莓派除了具備低功耗、移動便攜性、GPIO 等特性,其最突出的特點就是具有強大的拓展能力。 它不僅可以替代電腦進行日常基本工作,也可以作為開發者的原型機使用,極大地降低了用戶的采購成本和使用成本[3]。

近年來,隨著智能硬件概念的興起和互聯網+、智慧城市、物聯網等的發展,樹莓派在為不同年齡和背景的人們打開編程世界之門的同時,它的適應性、穩定性和低廉的價格也讓其成為電動汽車、物聯網或自動化流水線等應用場景的理想選擇,可以滿足不同用戶的多樣化需求,未來市場前景廣闊。

1.2.2 溫濕度檢測模塊

溫濕度檢測模塊使用的溫濕度傳感器是DHT11傳感器。 DHT11 濕度測量范圍為20%~90%RH,測量精度為±5.0%RH。 該傳感器使用了包括采購技術在內的新技術——數字模塊和溫度濕度傳感器技術,穩定性較好。 同時,該傳感器的尺寸小,功耗很低,比較適合在各種高要求以及極端的環境內工作。

與此同時,該傳感器是4 引腳單排引腳封裝,安裝操作便捷,連接簡單,且本身還具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優點,單線制串行接口也使得系統集成變得簡易快捷;DHT11 傳感器的超小體積、極低功耗的特性,使其信號傳輸距離可達20 m 以上,成為各類復雜應用場合的最佳選擇。

此外,該傳感器可以產生比較準確的數據信息,并且有著電阻式濕度感測元件和Nic 溫度測量元件,具有質量高、速度快、抗干擾強、性價比高等優勢。

1.2.3 光照檢測模塊

該系統通過外接光照檢測傳感器來判定植物所處環境的光照強度。 當所處環境光照過強便自動關閉補光燈;當所處環境光照較弱時便自動開啟補光燈[4]。 另外,該系統也可以進行人工干預是否開啟補光燈。

光照檢測采用了PCF8591 器件。 PCF8591 器件具有4 個模擬輸入、1 個模擬輸出和1 個串行I2C 總線接口。 PCF8591 的3 個地址引腳A0,A1 和A2 可用于硬件地址編程,允許在同個I2C 總線上接入8 個PCF8591 器件,而無需額外的硬件。 PCF8591 上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸。

1.2.4 土壤濕度檢測模塊

土壤溫濕度影響著植物的生長、發育和土壤的形成,且土壤濕度還決定了植物的水分供應狀況。 因此,人們在養護家庭植物時,只有及時觀測土壤濕度參數,才能讓植物更好地生長。 本設計應用電容式土壤濕度檢測傳感器模塊進行檢測。 當土壤濕度降低時,該系統可以自動進行水泵抽水或是人工干預進行水泵抽水[5]。

與其他電阻式傳感器相比,本設計采用了新款電容式土壤濕度傳感器,利用電容感應原理檢測土壤濕度,可以解決電阻式傳感器易被腐蝕的問題,極大地延長了使用壽命。

1.2.5 酸堿值檢測模塊

家庭中花草植物所處環境較為穩定,一般狀況下酸堿值的變化并不大,因此,引起家庭綠植酸堿值變化的主要還是對綠植的一些干預操作,尤其是施肥、噴灑營養液等。 本設計的酸堿值測定主要體現在監測營養液的酸堿值,并適時以水泵抽水與噴灑等相關操作來改變家庭綠植的酸堿度。

1.2.6 繼電器模塊

繼電器根據某種輸入信號的變化來接通或斷開控制電路,實現自動控制和保護電力拖動系統的電器。 輸入的信號可以是電壓、電流等電量,也可以是轉速、時間、溫度和壓力等非電量。 繼電器通過接觸器或其他電器對主電路進行控制。

當外接的傳感器獲取數據后,樹莓派將處理這些數據并將其上傳至云服務器進行記錄。 人們在電腦端或手機端可以獲取這些數據,同時樹莓派會根據這些數據決定是否控制繼電器進而控制水泵澆水[6]。

本設計結合實際,為實現澆水、噴灑營養液與農藥等操作,采用了3 路5 V 繼電器對水泵進行自動控制。 該繼電器采用貼片光耦隔離,驅動能力強,性能穩定。 模塊可以通過跳線設置高水平或低水平觸發以及容錯功能,即控制線斷開,繼電器也不會觸發動作。

2 系統軟件設計

2.1 軟件運行環境的搭建

2.1.1 樹莓派系統的選擇

由于樹莓派4 代B 開發板未搭載出廠系統,因此,首先要安裝自己需要的操作系統,如Windows,Andriod,iOS,Linux 等。 因為Linux 的開源具有內核小、可移植的特點,所以本設計采用Linux 作為樹莓派的操作系統。

2.1.2 樹莓派配置VNC

VNC 的安裝是利用SSH 連接樹莓派后直接安裝,其命令為:sudo apt-get install tightvncserver,安裝后對其進行配置開機啟動項。

2.2 軟件運行功能

2.2.1 移動端App

Home Assistant(HA)是一款基于Python 的智能家居開源系統,支持眾多品牌的智能家居設備。 它可以輕松實現設備的語音控制、自動化、群組化、UI 客制化等高度定制化設置。 Home Assistant 運行在Python 3.5.3 及以上環境下,一般而言,符合Python運行條件的系統皆可安裝Home Assistant。

電腦熱點可以直接看到鏈接上的設備IP,不需要使用IP 掃描器;手機熱點需要使用局域網IP 掃描器,掃描IP 地址,首先讓筆記本電腦連接熱點,然后查看筆記本電腦IP,帶有Raspberry 字樣的就是樹莓派的IP 地址。

首先,在樹莓派官網下載樹莓派鏡像,之后下載鏡像燒寫工具Etcher,將TF 卡接入電腦。 其次,修改根目錄boot 下的wpa_supplicant.conf 文件,填寫無線網SSID 和密碼。 最后,插卡啟動樹莓派,鏡像默認開機聯網狀態下將自動聯網下載安裝Home Assistant。安裝需要一定時間,安裝成功后Home Assistant 將自動啟動。 安裝成功后,用戶打開瀏覽器輸入“樹莓派IP:8123”就可以訪問Home Assistant 的前端界面了。

2.2.2 SSH 工具

Secure Shell(SSH)由 IETF 的網絡小組制定,為建立在應用層基礎上的安全協議。 SSH 是比較可靠、專為遠程登錄會話和其他網絡服務提供安全性的協議。 SSH 協議可以有效防止遠程管理過程中出現的信息泄露問題。 SSH 最初是UNIX 系統上的一個程序,后來又迅速擴展到其他操作平臺。 SSH 在正確使用時可彌補網絡中的漏洞。 SSH 客戶端適用于多種平臺,幾乎所有UNIX 平臺包括HP-UX,Linux,AIX,Solaris,Digital UNIX,Irix 等都可運行SSH[7]。

PC 端和樹莓派的通信也可以選用SSH 的方式,只需要將樹莓派的網絡和PC 端的網絡連入同一局域網即可。 本次設計采用的SSH 工具是Putty,當需要通信的時候,只需要在Putty 的登錄界面輸入樹莓派的IP 地址即可進入,如圖1 所示。

2.2.3 云端服務器

Ubuntu 是一款基于Debian Linux 的以桌面應用為主的操作系統,內容涵蓋文字處理、電子郵件、軟件開發工具和Web 服務等,可供用戶免費下載、使用和分享。 本設計以Ubuntu 為云端服務器對相關數據進行傳輸[8]。

樹莓派聯入網絡后,將檢測到的植物所處的環境溫濕度和環境光照強度等數據上傳至云端并形成日志,用戶可以隨時通過移動端對日志進行查看或分析,并通過訪問樹莓派實時監控畫面。

2.2.4 程序的編寫和配置

運用Python 語言開發樹莓派。 研究人員在PC端安裝好Python 語言的IDLE 后,先進行程序的編寫和編譯,當編譯無誤生成可執行文件后再通過Linux系統的指令將可執行文件復制到樹莓派[9]。 最后再將調整各類參數的配置文件復制到樹莓派即可。 配置文件是用來修改系統參數的,如溫濕度最優區間的改變就是在配置文件里修改參數即可。 通過SSH 的方式開啟樹莓派攝像頭文件的啟動命令為:sudo motion。

3 系統搭建及測試

本系統的主體由樹莓派平臺及其外圍模塊(溫濕度傳感器、攝像頭等)組成。 系統以樹莓派為中心控制器,進行網絡信息的傳輸,并處理各外圍模塊采集到的信息。 各外圍模塊分別進行各類信息的檢測:溫度傳感器檢測植物所處的環境溫度;濕度傳感器檢測植物所處的環境濕度;光照強度傳感器用來檢測植物所受到的光照強度;攝像頭模塊進行識別病蟲害與實時監控等操作。

3.1 溫濕度檢測功能測試

由于測試設置了溫濕度區間,經測試當實際溫濕度超出設置溫濕度區間時,系統將操控繼電器驅動水泵進行調整,也可進行人工選擇干預。

3.2 酸堿值檢測功能測試

當植物所處環境的酸堿值過低或過高時,系統將自動驅動繼電器進行施肥與噴水操作來調整酸堿值在合理的區間范圍內。

3.3 光照監測功能實測

當周圍環境光照降低時,系統會成功自動觸發補光燈,如圖2 所示。

圖2 實測功能

3.4 害蟲圖像識別測試

系統使用害蟲圖片來進行模擬圖像識別。 自動識別到害蟲以及大致種類后,顯示系統自動啟動噴灑殺蟲劑。

3.5 云端查看歷史數據圖

系統將溫濕度和害蟲識別等測試數據上傳云端并保存,用戶通過PC 端或手機端查看。

4 結語

本文基于樹莓派并結合傳感器技術設計了一款智能家庭花草養護系統,該系統使用多種傳感器實現對環境溫濕度、環境光照強度、酸堿值等數據進行采集,使用攝像頭實現對現場環境的實時準確監控。 該系統以目前物聯網開發中比較流行的樹莓派4 代B開發板為控制核心,該樹莓派集 Web 服務器、數據庫、控制系統于一體,便于后期的維護與管理,并且體積小,安裝簡便,云服務器遠程監控。 整個系統使用Python 編程語言進行編寫,使用云端服務器和App 進行監控提示和數據的通信,具有簡單輕便的優點。 整個系統運行流暢,在家庭綠植養護上具有良好的實用價值。