基于樹莓派的農業溫室環境檢測系統設計

蕭德璋 房杰祥 王金偉 陳夢瑤 陳佳智

摘 要：針對當前很多農業溫室不能實時獲取各項室內環境數據的現狀，為了更加方便地監測溫室農作物生長環境，文章設計了一種低成本獲取溫室作物生長環境數據的方案。方案通過軟硬件結合，使用樹莓派Raspberry Pi4B作為終端，連接DHT11、MQ-135等多個傳感器，結合Python開發并上傳數據到OneNet開放平臺，配套APP用以方便農戶實時查看溫室內環境的空氣溫濕度、氣體毒性等參數指標。經測試，系統數據獲取穩定并可實時根據環境更新，有一定的參考價值和實用價值。

關鍵詞：物聯網;農業溫室;樹莓派;Python;Vue

中圖分類號：TP277;TP391.44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-043-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.019

科學技術的不斷進步發展催生了物聯網技術，并在各個方面都產生了應用價值。目前，我國溫室農業的物聯網水平還尚處于起步階段。借助物聯網技術可以節約自然、人力資源，提高農業生產效率。溫室環境中農作物生長所依賴的空氣溫濕度、土壤溫濕度及其光照強度等參數指標，對農作物生長都有著十分重要的影響。只有在適宜的綜合環境因子的共同作用下，才能夠使農作物充分生長，達到高產值。傳統農業環境因素的檢測方式，主要依賴人工以往的溫室種植經驗，實地獲取各參數指標進行分析。該方式存在效率低、人力耗費大、生產投入高、樣本誤差大等問題，無法滿足農作物對其生長環境的即時需求。因此，對影響農作物生長環境因素的相應指標進行實時監測，顯得尤為重要。在環境因子短時間內產生巨大變化時，可以執行機器或者人為及時干預，采取相應措施，使損失降到最低，實現效益化。

樹莓派為Python編程提供了一個成本低廉、穩定可靠的開發平臺，其允許樹莓派的開發者將項目擴展到較大的規模[1]。文章設計一種基于樹莓派的多個傳感器監測系統，相比傳統的農業溫室系統，具有體積小、價格低、操作便捷等優點。

1 系統設計方案

農業溫室環境檢測系統，主要以樹莓派系列微處理器為控制核心，外圍硬件模塊主要包括一系列傳感器模塊、攝像頭軟件模塊、顯示模塊等，系統總體設計和架框圖如圖1所示。

2 硬件組成及實現原理

硬件控制部分主要由Raspberry Pi4B、DHT11空氣溫濕度傳感器、mh-rd11雨滴檢測傳感器、mq-135有毒氣體檢測傳感器、火焰報警控制模塊，以及移動攝像頭控制模塊和電源供電控制模塊等多個部分的組件組成。

2.1 Raspberry Pi模塊

溫室環境監測系統采用樹莓派為主要控制器，是一個開放源代碼的硬件平臺。該平臺包含一塊具備I/O功能電路板的ARM芯片，能適應物聯網等多種工作環境，不僅能跑全系列ARM GNU/Linux發行版，而且支持Snappy Ubuntu Core及Windows 10 IOT[2]。在其上安裝Debian，不僅體積小，而且功能極其豐富且強大。相比上一代CPU，性能提升至1.5Ghz的四核64位CPU。該處理器的性能使其能流暢地運行在本設計中，能夠滿足對于多個傳感器數據的同步讀取需求。此外，其中還包含40個GPIO引腳，支持外接鋰電池模塊及拓展板，使其可以與硬件進行數據讀取交互和高度定制化。

2.2 鋰電池拓展板及顯示模塊

鋰電池拓展板載獨立開關，使用USB 5V輸出，由兩塊18650鋰電池作為供電源。顯示模塊采用分辨率為128×64的OLED液晶顯示屏，顯示單元能夠自主發光，采用SPI或I2C的通信方式。該模塊主要用于人機交互[3]，顯示當前由Raspberry Pi收集到的溫濕度數據。

2.3 傳感器模塊

傳感器應用模塊主要包括溫濕度傳感器DHT11、MQ-135有毒氣體傳感器、FC-28土壤濕度變化傳感器，這些傳感器可以通過杜邦線直接連到樹莓派進行實時數據采集。上述傳感器用到的主要有三個接口：VCC、GND以及DATA接口。VCC接入電源正極3.3V或5.5V，使用5.5V電源時需串聯一個電阻，用以限流對樹莓派起保護作用。GND接入樹莓派GPIO接口中GROUND接口。DATA接入GPIO數據接口，可在Python的驅動代碼中自定義，如：

GPIO.setmod（GPIO.BCM）

GPIO.setup（18，GPIO.IN）

2.4 攝像頭模塊

攝像頭模塊由樹莓派配套的攝像頭及其排線組合構成，與Raspberry Pi之間通過CSI接口相互進行連接，參數包含視場角72.4°、焦距3.29等。由樹莓派主板安裝OpenCV軟件庫，可采集數據并進行處理。

3 系統軟件設計

配套樹莓派傳感器的App前端展示使用Vue框架開發，后端接口Laravel框架開發，服務部署在Centos服務器，一套代碼，多端使用，易于修改。

3.1 手機端App前端設計思路

App前端所用技術主要是利用uni-app框架的便利性，其語法完全貼合了Vue這一近年新型前端框架的語法，uni-app是一個能夠直接利用Vue.js來開發所有基于前端的應用框架，開發者自己編寫一套源代碼，可以將其發布給IOS、Android、H5、各種小程序、快應用等眾多平臺。這樣對于軟件開發者的開發、后期維護及其用戶的使用都比較友好。

Vue是另一個重要技術概念，因為其本身是一種抽象技術，允許通過自動使用小型、獨立和一般并且可以互相交叉復用的網絡組件模型，來自動構建一個大型網絡應用。幾乎所有不同類型的組件應用程序界面，都希望是一個可以直接抽象出來成為一個基于組件類的樹。其有以下特點：如簡化代碼整體結構，降低維護成本;為代碼、模塊的復用提供基礎;提升代碼的穩定性（因為對不同業務、模塊可以通過倉庫權限控制進行物理隔離）;提升整體架構的伸縮性，為業務擴展打下基礎。App功能包括查看空氣溫濕度、火焰傳感器等信號。

3.2 后端設計

使用PHP（編程語言）的后端框架Laravel進行接口開發，隨著互聯網提倡的前后端完全分離，PHP也基本告別了view模板嵌套開發，轉而專門編寫資源接口。Laravel是PHP框架中最優雅的框架，國內也有越來越多的人告別thinkPHP，選擇Laravel。雖然框架本身便對API有支持，但在工作中還是需要再做一些額外的處理——解決使用不便，一些擴展包不能很好地支持的缺點，讓其在開發API時更加得心應手。

3.3 Raspberry Pi軟件設計方案

Raspberry pi4B官方基于Linux的Raspbian系統安裝后，需要安裝Python環境，而后安裝BCM2835及OpenCV庫，使用庫可以方便通過GPIO接口對傳感器進行函數操作。Python語法易于讀寫，兼容總多平臺，可在Windows開發之后通過SFTP傳送到樹莓派中運行。由于需要驅動多個傳感器，因此需要開發多個文件部分關鍵代碼如下：

import Adafruit_DHT //導入Adafruit庫

sensor=Adafruit_DHT.DHT11//設置傳感器類型，此處為DHT11

GPIO=18//將引腳設置為18

humidity， temperature = Adafruit_DHT.read_retry（sensor， GPIO）

//通過Adafruit庫通過引腳讀取溫濕度

文件運行之后，傳感器將實時獲取數據，通過多次實驗，數據獲取準確，基本無誤差。

4 結語

通過搭建樹莓派傳感器，以及前后端開發App，由傳感器獲得的數據實時傳輸到服務器再到App顯示出來，供農業生產提供參考，減少對于作物生長過程中的不利因素。樹莓派搭建的作物生長環境檢測平臺具有無可比擬的成本優勢，其可拓展性強，系統開源，可以及時獲得溫室內數據并根據數據進行解決，對農業的科學發展具有推動作用。

參考文獻

[1] 李警波，李密生，唐博，等.基于樹莓派和Python的黃瓜病斑識別系統的設計[J].物聯網技術，2020，10（8）：45-47.

[2] 周毅飛，呂曉菡，李慶海，等.基于“樹莓派”三代的農業智慧監測系統研究[J].南方農業，2019，13（10）：62-65.

[3] 王玉濤，于金星，陳鑫，等.基于樹莓派的自適應空調控制系統設計[J].物聯網技術，2020，10（10）：32-3