基于樹莓派和LabVIEW 的嵌入式農(nóng)業(yè)

付鉑瑞，陳甲平

（武漢城市學(xué)院，湖北武漢 430083）

近年來(lái)，隨著人口的持續(xù)增長(zhǎng)，人們對(duì)自然資源的需求量也有所增加。水、新鮮空氣和土壤會(huì)直接影響人類的生活質(zhì)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(xiàn)代，全球經(jīng)濟(jì)狀況依然無(wú)法負(fù)擔(dān)得起資源的浪費(fèi)。從當(dāng)前局面來(lái)看，有效管理資源是首要目標(biāo)，它能降低污染性資源帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)環(huán)境的影響保持在自然可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。近年來(lái)，智慧農(nóng)業(yè)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，生產(chǎn)能力和效率相較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)做出了最大改進(jìn)。隨著機(jī)械控制的自動(dòng)化發(fā)展，溫室技術(shù)逐步走向成熟，該文主要對(duì)使用遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)技術(shù)遇到的問題進(jìn)行多方面分析，改變了硬件模塊，該技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)在于硬件使用了Raspberry pie 來(lái)提供穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)傳輸功能，與此同時(shí)，程序端也有所改進(jìn)，配置環(huán)境采用LabVIEW，數(shù)據(jù)采集和處理通過(guò)MQTT 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用Python 編程語(yǔ)言。用戶通過(guò)該系統(tǒng)完善農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時(shí)也能獲得最大生產(chǎn)力所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該文介紹了一種利用無(wú)線通信測(cè)量大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的方法。智能灌溉系統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)會(huì)受到溫室效應(yīng)的影響，人們利用最新的嵌入式農(nóng)業(yè)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)控智能灌溉系統(tǒng)。如果要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，就需要用到智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如WIFI、ZigBee 等端口配備的各種傳感器裝置，相繼在大數(shù)據(jù)中的感知層開展對(duì)各種類型信息的識(shí)別[1]。收集如下幾個(gè)方面的信息：大棚內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度、pH 值、CO2濃度參數(shù)[2]；信息收集完后，由端口執(zhí)行對(duì)信息的剖析乃至處理，處理結(jié)束后將信息傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器又將信息經(jīng)過(guò)端口RS485 轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS-DTU,GPRS-DTU 再采用HTTP 協(xié)議通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)里的信息，提供問題的最優(yōu)處理方案，展開持久化、常態(tài)化、可視化等作業(yè)。

智慧農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，只有使用前沿技術(shù)才能解決氣候條件和有限的水資源導(dǎo)致的許多問題。基于此，文中實(shí)施并研究了一種在農(nóng)業(yè)場(chǎng)景下采用的LoRa（遠(yuǎn)程）控制技術(shù)，LoRa 是一種能夠提供遠(yuǎn)距離傳輸安全數(shù)據(jù)的無(wú)線技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通過(guò)收到并儲(chǔ)存的信息，再經(jīng)由傳感器LoRa傳輸?shù)絋ata，作為JSON 字符串并儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)[3]中，可以通過(guò)一個(gè)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(huì)存儲(chǔ)在基于MySQL 的查詢程序中。通過(guò)一個(gè)表ID 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并添加到Python 腳本中。該系統(tǒng)允許測(cè)量和遠(yuǎn)程控制土壤水分，降水、灌溉參數(shù)，體積和蒸發(fā)量，并由灌溉系統(tǒng)管理參數(shù)。系統(tǒng)還提供了一些熱量、霜凍的持續(xù)時(shí)間等農(nóng)業(yè)的重要數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考數(shù)據(jù)。Libelium 的硬件和軟件主要用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，這是一種低功耗的報(bào)文傳輸協(xié)議，使得無(wú)線節(jié)點(diǎn)能夠減少上傳數(shù)據(jù)包的大小，降低了無(wú)線節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功耗[4]。

Libelium 架構(gòu)由兩種類型的設(shè)備組成：一種是Waspmotes，可以連接一個(gè)或多個(gè)硬件站，將傳感器內(nèi)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺(tái)；另一種是Meshlium，擁有多個(gè)接收數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Waspmotes。傳感器允許其將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)/4G/3G/GPRS 傳輸?shù)皆瓶臻g作為備份數(shù)據(jù)[5]。

2 系統(tǒng)主要硬件組成

溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要基于無(wú)線通信，由幾個(gè)傳感器組成，這些傳感器將提供所測(cè)得的溫度、濕度、光線以及信號(hào)強(qiáng)度，有一個(gè)存儲(chǔ)所有參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)和一個(gè)連接數(shù)據(jù)庫(kù)的App。所有數(shù)據(jù)都會(huì)跟中央服務(wù)器互連，芯片主要是Raspberry PI 板，它能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行發(fā)送和連接，這樣用戶端接收信息就不會(huì)受到時(shí)間和地點(diǎn)的限制。溫室內(nèi)部活動(dòng)由執(zhí)行器觸發(fā)。合理控制小氣候參數(shù)并制定控制的策略，最簡(jiǎn)單的一種是設(shè)置閾值控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)的最高值，避免了由于環(huán)境參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤而導(dǎo)致農(nóng)作物壞死。這個(gè)進(jìn)程中樹莓派的板塊包含了溫、濕度等自然環(huán)境指標(biāo)的信息采集傳感器、承擔(dān)讀取信息的端口單元及信號(hào)調(diào)制單元。借助轉(zhuǎn)換模塊將收集到的信息進(jìn)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(shí)現(xiàn)高科技智慧農(nóng)業(yè)，通過(guò)精確測(cè)量和實(shí)時(shí)更新運(yùn)行關(guān)于Android 系統(tǒng)應(yīng)用程序[6]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

Andrew j.Skinneretal 研究了濕潤(rùn)前沿探測(cè)器的最新發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了一種以低能量的方法來(lái)收集灌溉和降雨條件下的土壤及水的瞬態(tài)樣品，并提出了一種簡(jiǎn)單的四電極電導(dǎo)率傳感器，用于自動(dòng)記錄在重力流作用下作物根區(qū)積累的鹽分，這是一種在灌溉循環(huán)過(guò)程中，從濕潤(rùn)面提取到的土壤中的水鹽度。用微功率運(yùn)算放大器驅(qū)動(dòng)方法測(cè)量出鉑在陶瓷電池上的電導(dǎo)率，作為直流電流的信號(hào)，微功率運(yùn)算放大器的整體電流與電導(dǎo)率成正比，以1∶200 的電流反射鏡將這種信號(hào)反射到一種處于電荷平衡的16-b模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的電橋中，由單個(gè)運(yùn)算放大器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器一起作用于該電橋，從而形成了低成本微控制器的內(nèi)部控制器[7]。同樣，電導(dǎo)電池上的鉑溫度傳感器與1RNA 電流源一起構(gòu)成第二個(gè)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(guò)程中提取出鹽溶液和傳感器電路的溫度系數(shù)，生成精密的輸出EC 數(shù)字的溫度校正器，由數(shù)據(jù)記錄儀通過(guò)sdj-12 自動(dòng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)框圖

各種傳感器按照一定的預(yù)定義格式進(jìn)行排列，在前端形成一個(gè)節(jié)點(diǎn)，前端的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由溫度傳感器、濕度傳感器、微控制器、節(jié)能低功耗發(fā)射器和單片機(jī)組成。圖3 前端每個(gè)硬件單元的詳細(xì)框圖如圖3 所示。

圖3 前端每個(gè)硬件單元的詳細(xì)框圖

智能控制器通過(guò)人工智能和互聯(lián)網(wǎng)中從用戶那里獲得的控制命令來(lái)管理農(nóng)場(chǎng)中發(fā)生的所有情況。該控制器主要負(fù)責(zé)從前端收集數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，并執(zhí)行所需要的操作。該控制器執(zhí)行的各種操作包括從前端收集數(shù)據(jù)，通過(guò)開關(guān)繼電器控制灌溉通道，利用ZigBee 將收集到的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)。該模塊擁有自己的收發(fā)器，能夠從前端接收真實(shí)的時(shí)間數(shù)據(jù)，通過(guò)控制水流量從而在控制灌溉系統(tǒng)繼電器的幫助下給系統(tǒng)提供接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)視頻運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)攝像頭用帶寬更小的信號(hào)來(lái)傳輸視頻。

3 系統(tǒng)主要硬件組成

系統(tǒng)架構(gòu)主要有兩個(gè)部分：Raspberry PI 板和軟件部分，主要是用于查看傳感器Android 應(yīng)用程序Grafana 的參數(shù)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(zhí)行器。RPI 可以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)快速地構(gòu)建原型。Raspberry PI 4是最新型號(hào)，是功能強(qiáng)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(cè)量土壤的水分和土壤濕度的裝置。它的運(yùn)行原理是把兩個(gè)暴露的極板作為傳感器的探針，充當(dāng)可變電阻器。土壤中的濕度與電導(dǎo)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(gè)電位器用于調(diào)節(jié)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(shù)字化、低成本的溫濕度測(cè)量傳感器，在測(cè)量濕度和空氣的溫度時(shí)使用了負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和一個(gè)電容式傳感器，操作裝置具有可靠性和穩(wěn)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(nèi)的液體，該傳感器具有低功耗和高效率，可以用于自動(dòng)化項(xiàng)目，兼容多種開發(fā)方式。當(dāng)傳感器投入到被測(cè)液體中特定的深度時(shí)，被測(cè)介質(zhì)的壓力進(jìn)入到傳感器的正壓腔，經(jīng)過(guò)線纜導(dǎo)氣管將液體表面上的大氣壓Po與傳感器的負(fù)壓相接連,以抵消傳感器正面的大氣壓Po，使傳感器測(cè)得壓強(qiáng)為P=ρgh，通過(guò)測(cè)出的壓強(qiáng)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(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送信息到電路板。圖5 為傳感器的運(yùn)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(fā)

數(shù)據(jù)采集和處理采用Python編程語(yǔ)言。MQTT協(xié)議申請(qǐng)了數(shù)據(jù)傳輸，因?yàn)镻ython 可以非常簡(jiǎn)便地訪問到數(shù)據(jù)庫(kù)，并且操作簡(jiǎn)單、運(yùn)算迅速、易于實(shí)現(xiàn)[10]。MQTT是一個(gè)開源協(xié)議，它使用發(fā)布/訂閱架構(gòu)，該協(xié)議簡(jiǎn)潔、精巧、可擴(kuò)展性強(qiáng)、更省電。該協(xié)議可以作為樹結(jié)構(gòu)。通過(guò)代理發(fā)送的確認(rèn)消息進(jìn)行驗(yàn)證并連接，MQTT客戶端會(huì)定期進(jìn)行通知以表明客戶仍處于連接狀態(tài)[11]。代理可以接收來(lái)自任何一個(gè)運(yùn)行的傳感器，溝通服務(wù)器客戶端和用戶之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 MQTT溝通服務(wù)器客戶端和用戶之間的關(guān)系

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢索，設(shè)計(jì)了開發(fā)流程，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)(My SQL)并使用Grafana 工具查看它們的存在狀態(tài)。

將從傳感器獲取的數(shù)據(jù)顯示在Grafana 數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中查看和解釋數(shù)據(jù)。Grafana 是一個(gè)數(shù)據(jù)可視化的開源平臺(tái)，擁有監(jiān)控和分析功能，允許用戶生成帶有面板的儀表板，每個(gè)面板都象征著特定的指標(biāo)設(shè)定的時(shí)間框架[12]。

Android應(yīng)用程序的目的是實(shí)時(shí)顯示測(cè)量參數(shù)并設(shè)置數(shù)據(jù)。用戶界面有四個(gè)指標(biāo)：溫度、空氣濕度、土壤濕度和壓強(qiáng)。該應(yīng)用程序兼容所有Android設(shè)備。

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

5 嵌入式農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

在智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目中，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在所有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)了一種智能灌溉和溫室大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其操作性強(qiáng)且成本低，并且可以在任何規(guī)模上實(shí)施解決方案。即傳感器測(cè)量值在參數(shù)正常范圍內(nèi)，或者當(dāng)超出參數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)灌溉功能，即系統(tǒng)成功工作，物聯(lián)網(wǎng)提供了一個(gè)靈活而精確的環(huán)境維護(hù)形式。用戶能夠通過(guò)Android 應(yīng)用程序來(lái)監(jiān)督數(shù)據(jù)是否正常工作，還能夠獲取來(lái)自溫室的參數(shù)值并提供推薦數(shù)據(jù)，以控制組件。隨著工作的進(jìn)行傳感器的數(shù)量將增加，最終成為一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠?yàn)樽魑锕喔忍峁┚珳?zhǔn)且持續(xù)的時(shí)間。

LabVIEW 是一種應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，起初是為測(cè)試、測(cè)量而開發(fā)的工具，因此，測(cè)試、測(cè)量也是LabVIEW 最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域。歷經(jīng)長(zhǎng)期的發(fā)展，LabVIEW 在測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域被廣泛認(rèn)同[13]。迄今，大多數(shù)市場(chǎng)主流的測(cè)試儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用了專門的LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序，利用LabVIEW 既能快捷的控制諸如此類硬件設(shè)備，同時(shí)，客戶也可以特別方便地獲得測(cè)試出來(lái)的LabVIEW 工具包[14]。其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是選用源于文本的語(yǔ)言形成代碼，而LabVIEW 采用圖形化編譯語(yǔ)言G 來(lái)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(shí)現(xiàn)了關(guān)于數(shù)據(jù)如何在程序中流動(dòng)的圖解，如電機(jī)控制、溫度控制、濕度控制和土壤模擬了化學(xué)成分的混合比例，在互聯(lián)網(wǎng)上可用于設(shè)計(jì)用戶服務(wù)器及管理數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶交互式Web 模塊共有五個(gè)頁(yè)面：主頁(yè)、密碼認(rèn)證頁(yè)、用戶頁(yè)、忘記密碼并驗(yàn)證登錄頁(yè)，以及一個(gè)發(fā)送反饋?lái)?yè)，其中，農(nóng)場(chǎng)使用LabVIEW 對(duì)參數(shù)進(jìn)行模擬后顯示用戶頁(yè)面的模塊，用戶通過(guò)該模塊可以實(shí)時(shí)查看更新狀態(tài)。

6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與不足

該平臺(tái)采用板塊間聯(lián)網(wǎng)，具有容易使用、模塊能耗低、不需硬布線、操作簡(jiǎn)單、便于參數(shù)監(jiān)控等優(yōu)勢(shì)，適用于參數(shù)流量小、整體預(yù)算較低的農(nóng)業(yè)大棚智能化改造項(xiàng)目。同時(shí)對(duì)程序進(jìn)行了大量改進(jìn)，采用當(dāng)下流行的程序進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，由此傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)也能利用主流的互聯(lián)網(wǎng)程序技術(shù)，可是目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中有很多缺點(diǎn)：運(yùn)用的范疇還不夠廣；利用的效率不高，也從側(cè)面反應(yīng)出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用需要進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相較于有線節(jié)點(diǎn)愈加容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟幀的情況，因此偶爾不能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息；在距離較遠(yuǎn)時(shí)，低功耗ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)組網(wǎng)比較困難[16]；整體系統(tǒng)中并未采用硬件節(jié)點(diǎn)安全策略，可能會(huì)發(fā)生外來(lái)硬件節(jié)點(diǎn)入侵網(wǎng)絡(luò)的情況。

7 結(jié)論

農(nóng)場(chǎng)參數(shù)如溫度、濕度和生長(zhǎng)能力已經(jīng)被收集并錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些數(shù)值被用于虛擬儀器仿真，表明農(nóng)場(chǎng)中的傳感器可以有效減少農(nóng)業(yè)勞動(dòng)，同時(shí)提高農(nóng)作物產(chǎn)量，筆者制作了一個(gè)用戶互動(dòng)網(wǎng)頁(yè)用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)場(chǎng)，并通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制。用戶的操作會(huì)根據(jù)大數(shù)據(jù)的分析來(lái)獲得推薦參數(shù)設(shè)置,從而增加了國(guó)家的生產(chǎn)力，并且用戶之間的相互作用使用類似社交網(wǎng)絡(luò)的界面，有助于給沒有經(jīng)驗(yàn)的用戶提供有用的建議，在方便用戶工作的同時(shí)，也能為祖國(guó)增加資源產(chǎn)出，以減輕人口負(fù)擔(dān)。