基于樹莓派和LabVIEW 的嵌入式農業

付鉑瑞，陳甲平

（武漢城市學院，湖北武漢 430083）

近年來，隨著人口的持續增長，人們對自然資源的需求量也有所增加。水、新鮮空氣和土壤會直接影響人類的生活質量和健康。然而，地球上的資源是有限的，哪怕是在高科技的現代，全球經濟狀況依然無法負擔得起資源的浪費。從當前局面來看，有效管理資源是首要目標，它能降低污染性資源帶來的風險，并對環境的影響保持在自然可調節范圍內。近年來，智慧農業有了長足的發展，生產能力和效率相較傳統農業做出了最大改進。隨著機械控制的自動化發展，溫室技術逐步走向成熟，該文主要對使用遠程監控農業技術遇到的問題進行多方面分析，改變了硬件模塊，該技術的創新點在于硬件使用了Raspberry pie 來提供穩定、快速的數據傳輸功能，與此同時，程序端也有所改進，配置環境采用LabVIEW，數據采集和處理通過MQTT 協議進行數據傳輸，并采用Python 編程語言。用戶通過該系統完善農業發展，同時也能獲得最大生產力所帶來的經濟優勢。

1 系統整體架構

該文介紹了一種利用無線通信測量大棚內環境參數的方法。智能灌溉系統的無線技術會受到溫室效應的影響，人們利用最新的嵌入式農業系統來監控智能灌溉系統。如果要進行數據傳輸，就需要用到智能物聯網設備，如WIFI、ZigBee 等端口配備的各種傳感器裝置，相繼在大數據中的感知層開展對各種類型信息的識別[1]。收集如下幾個方面的信息：大棚內的溫濕度、光照強度、pH 值、CO2濃度參數[2]；信息收集完后，由端口執行對信息的剖析乃至處理，處理結束后將信息傳送給協調器。協調器又將信息經過端口RS485 轉發給GPRS-DTU,GPRS-DTU 再采用HTTP 協議通信的方式將數據發送給服務器。服務器對數據進行分析，對比數據庫里的信息，提供問題的最優處理方案，展開持久化、常態化、可視化等作業。

智慧農業與物聯網技術的發展日新月異，只有使用前沿技術才能解決氣候條件和有限的水資源導致的許多問題。基于此，文中實施并研究了一種在農業場景下采用的LoRa（遠程）控制技術，LoRa 是一種能夠提供遠距離傳輸安全數據的無線技術物聯網應用，通過收到并儲存的信息，再經由傳感器LoRa傳輸到Tata，作為JSON 字符串并儲存在數據庫[3]中，可以通過一個Python腳本在微軟中看到Azure Cloud，它能使Tata 和Azure Cloud 之間相連接。云空間收到的信息會存儲在基于MySQL 的查詢程序中。通過一個表ID 對數據進行排序并添加到Python 腳本中。該系統允許測量和遠程控制土壤水分，降水、灌溉參數，體積和蒸發量，并由灌溉系統管理參數。系統還提供了一些熱量、霜凍的持續時間等農業的重要數據作為數據庫中的參考數據。Libelium 的硬件和軟件主要用于無線傳感器網絡的開發，這是一種低功耗的報文傳輸協議，使得無線節點能夠減少上傳數據包的大小，降低了無線節點的發射功耗[4]。

Libelium 架構由兩種類型的設備組成：一種是Waspmotes，可以連接一個或多個硬件站，將傳感器內儲存的數據發送到平臺；另一種是Meshlium，擁有多個接收數據的物聯網網關Waspmotes。傳感器允許其將數據通過以太網/4G/3G/GPRS 傳輸到云空間作為備份數據[5]。

2 系統主要硬件組成

溫室監測系統主要基于無線通信，由幾個傳感器組成，這些傳感器將提供所測得的溫度、濕度、光線以及信號強度，有一個存儲所有參數的數據庫和一個連接數據庫的App。所有數據都會跟中央服務器互連，芯片主要是Raspberry PI 板，它能通過互聯網進行發送和連接，這樣用戶端接收信息就不會受到時間和地點的限制。溫室內部活動由執行器觸發。合理控制小氣候參數并制定控制的策略，最簡單的一種是設置閾值控制設備驅動的最高值，避免了由于環境參數設置錯誤而導致農作物壞死。這個進程中樹莓派的板塊包含了溫、濕度等自然環境指標的信息采集傳感器、承擔讀取信息的端口單元及信號調制單元。借助轉換模塊將收集到的信息進行輸送，最后還有為以上所有模塊供給能量的供用電模塊。

該文的主要思想是實現高科技智慧農業，通過精確測量和實時更新運行關于Android 系統應用程序[6]。系統的結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統的結構框圖

Andrew j.Skinneretal 研究了濕潤前沿探測器的最新發展，發現了一種以低能量的方法來收集灌溉和降雨條件下的土壤及水的瞬態樣品，并提出了一種簡單的四電極電導率傳感器，用于自動記錄在重力流作用下作物根區積累的鹽分，這是一種在灌溉循環過程中，從濕潤面提取到的土壤中的水鹽度。用微功率運算放大器驅動方法測量出鉑在陶瓷電池上的電導率，作為直流電流的信號，微功率運算放大器的整體電流與電導率成正比，以1∶200 的電流反射鏡將這種信號反射到一種處于電荷平衡的16-b模擬數字轉換器(ADC)的電橋中，由單個運算放大器與模擬數字轉換器一起作用于該電橋，從而形成了低成本微控制器的內部控制器[7]。同樣，電導電池上的鉑溫度傳感器與1RNA 電流源一起構成第二個16-b 電荷平衡ADC 的重要組成部分。不需要儀表放大器，在使用過程中提取出鹽溶液和傳感器電路的溫度系數，生成精密的輸出EC 數字的溫度校正器，由數據記錄儀通過sdj-12 自動采集環境數據。系統總體實現框圖如圖2 所示。

圖2 系統總體實現框圖

各種傳感器按照一定的預定義格式進行排列，在前端形成一個節點，前端的每個節點都由溫度傳感器、濕度傳感器、微控制器、節能低功耗發射器和單片機組成。圖3 前端每個硬件單元的詳細框圖如圖3 所示。

圖3 前端每個硬件單元的詳細框圖

智能控制器通過人工智能和互聯網中從用戶那里獲得的控制命令來管理農場中發生的所有情況。該控制器主要負責從前端收集數據，將接收到的數據與數據庫進行比對，并執行所需要的操作。該控制器執行的各種操作包括從前端收集數據，通過開關繼電器控制灌溉通道，利用ZigBee 將收集到的數據上傳到網絡。該模塊擁有自己的收發器，能夠從前端接收真實的時間數據，通過控制水流量從而在控制灌溉系統繼電器的幫助下給系統提供接收到的數據，通過視頻運動實現攝像頭用帶寬更小的信號來傳輸視頻。

3 系統主要硬件組成

系統架構主要有兩個部分：Raspberry PI 板和軟件部分，主要是用于查看傳感器Android 應用程序Grafana 的參數和MQTT 連接。

3.1 硬件模塊Raspberry PI

Raspberry PI(RPI)是一種低成本GPIO（通用輸入/輸出）啟用板，可以在處理中用于控制傳感器和執行器。RPI 可以為物聯網系統快速地構建原型。Raspberry PI 4是最新型號，是功能強大且豐富的板塊。

3.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器如圖4 所示，該傳感器是一種專門用于測量土壤的水分和土壤濕度的裝置。它的運行原理是把兩個暴露的極板作為傳感器的探針，充當可變電阻器。土壤中的濕度與電導率成正比，與板之間的電阻成反比。此外，在該模塊中還有一個電位器用于調節土壤水分。

圖4 土壤濕度傳感器

3.3 溫濕度傳感器（DHT11）

DHT11 是一款數字化、低成本的溫濕度測量傳感器，在測量濕度和空氣的溫度時使用了負溫度系數熱敏電阻（NTC）和一個電容式傳感器，操作裝置具有可靠性和穩定性[9]。

3.4 水位傳感器

水位傳感器用于確定水量封閉容器內的液體，該傳感器具有低功耗和高效率，可以用于自動化項目，兼容多種開發方式。當傳感器投入到被測液體中特定的深度時，被測介質的壓力進入到傳感器的正壓腔，經過線纜導氣管將液體表面上的大氣壓Po與傳感器的負壓相接連,以抵消傳感器正面的大氣壓Po，使傳感器測得壓強為P=ρgh，通過測出的壓強P就可以獲得液位深度。

傳感器的輸出是模擬輸出，因此，通過模數轉換器發送信息到電路板。圖5 為傳感器的運行流程與Raspberry PI 板的連接方式。

圖5 傳感器與Raspberry PI的連接方式

4 軟件開發

數據采集和處理采用Python編程語言。MQTT協議申請了數據傳輸，因為Python 可以非常簡便地訪問到數據庫，并且操作簡單、運算迅速、易于實現[10]。MQTT是一個開源協議，它使用發布/訂閱架構，該協議簡潔、精巧、可擴展性強、更省電。該協議可以作為樹結構。通過代理發送的確認消息進行驗證并連接，MQTT客戶端會定期進行通知以表明客戶仍處于連接狀態[11]。代理可以接收來自任何一個運行的傳感器，溝通服務器客戶端和用戶之間的關系如圖6所示。

圖6 MQTT溝通服務器客戶端和用戶之間的關系

為了實現實驗數據的檢索，設計了開發流程，將獲取的數據傳輸到數據庫(My SQL)并使用Grafana 工具查看它們的存在狀態。

將從傳感器獲取的數據顯示在Grafana 數據庫中，可以在數據庫中查看和解釋數據。Grafana 是一個數據可視化的開源平臺，擁有監控和分析功能，允許用戶生成帶有面板的儀表板，每個面板都象征著特定的指標設定的時間框架[12]。

Android應用程序的目的是實時顯示測量參數并設置數據。用戶界面有四個指標：溫度、空氣濕度、土壤濕度和壓強。該應用程序兼容所有Android設備。

在Raspberry PI 板和其他組件上需要大量的電線，這也導致電路性能下降的原因。為了提高性能并為項目提供額外的流動性，需要制作印刷電路板。

5 嵌入式農業現狀

在智慧農業項目中，物聯網的發展起著至關重要的作用。在所有遠程監控系統中，尤其是在農業領域開發了一種智能灌溉和溫室大棚監測系統，其操作性強且成本低，并且可以在任何規模上實施解決方案。即傳感器測量值在參數正常范圍內，或者當超出參數時，系統會啟動灌溉功能，即系統成功工作，物聯網提供了一個靈活而精確的環境維護形式。用戶能夠通過Android 應用程序來監督數據是否正常工作，還能夠獲取來自溫室的參數值并提供推薦數據，以控制組件。隨著工作的進行傳感器的數量將增加，最終成為一種機器學習算法，能夠為作物灌溉提供精準且持續的時間。

LabVIEW 是一種應用程序開發環境，起初是為測試、測量而開發的工具，因此，測試、測量也是LabVIEW 最普遍的應用領域。歷經長期的發展，LabVIEW 在測試、測量領域被廣泛認同[13]。迄今，大多數市場主流的測試儀器、數據采集系統都采用了專門的LabVIEW 驅動程序，利用LabVIEW 既能快捷的控制諸如此類硬件設備，同時，客戶也可以特別方便地獲得測試出來的LabVIEW 工具包[14]。其他計算機語言都是選用源于文本的語言形成代碼，而LabVIEW 采用圖形化編譯語言G 來編寫程序，形成的程序是框架圖的形式,沒有文本性的代碼[15]。利用LabVIEW 的模塊實現了關于數據如何在程序中流動的圖解，如電機控制、溫度控制、濕度控制和土壤模擬了化學成分的混合比例，在互聯網上可用于設計用戶服務器及管理數據庫。用戶交互式Web 模塊共有五個頁面：主頁、密碼認證頁、用戶頁、忘記密碼并驗證登錄頁，以及一個發送反饋頁，其中，農場使用LabVIEW 對參數進行模擬后顯示用戶頁面的模塊，用戶通過該模塊可以實時查看更新狀態。

6 監測系統的優點與不足

該平臺采用板塊間聯網，具有容易使用、模塊能耗低、不需硬布線、操作簡單、便于參數監控等優勢，適用于參數流量小、整體預算較低的農業大棚智能化改造項目。同時對程序進行了大量改進，采用當下流行的程序進行技術開發，由此傳統農業也能利用主流的互聯網程序技術，可是目前的物聯網技術在現代化農業的應用中有很多缺點：運用的范疇還不夠廣；利用的效率不高，也從側面反應出了物聯網技術在現代化農業中的運用需要進一步進行改進；網絡節點相較于有線節點愈加容易發生數據丟幀的情況，因此偶爾不能獲得準確的數據信息；在距離較遠時，低功耗ZigBee 網絡的結點組網比較困難[16]；整體系統中并未采用硬件節點安全策略，可能會發生外來硬件節點入侵網絡的情況。

7 結論

農場參數如溫度、濕度和生長能力已經被收集并錄入數據庫中，這些數值被用于虛擬儀器仿真，表明農場中的傳感器可以有效減少農業勞動，同時提高農作物產量，筆者制作了一個用戶互動網頁用戶遠程監控農場，并通過互聯網進行控制。用戶的操作會根據大數據的分析來獲得推薦參數設置,從而增加了國家的生產力，并且用戶之間的相互作用使用類似社交網絡的界面，有助于給沒有經驗的用戶提供有用的建議，在方便用戶工作的同時，也能為祖國增加資源產出，以減輕人口負擔。