物联网监测系统在温室花卉中的应用研究

黄斌 邓雨坤 白千一 么贺贵

摘  要：在温室花卉种植过程中，传统的管理方式落后，自动化性能较差，为达到温室花卉智慧种植，文章提出使用树莓派进行温室花卉监测系统的设计方案。通过DHT11获取温室环境数据，利用树莓派3B对获取的数据进行分析并开发了一套APP供用户随时读取温室环境中温湿度信息，方便用户实时监控温室的温湿度。经在智慧农业工程研究中心的实际运行检测，系统运行良好，有一定的推广空间。

关键词：树莓派;监测系统;物联网

中图分类号：TP391.44;TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0175-03

Abstract：In the process of greenhouse flower planting，the traditional management method is backward，and the automation performance is low. In order to achieve the intelligent cultivation of greenhouse flowers，this paper proposes the design scheme of greenhouse flowers monitoring system using Raspberry Pi. Through DHT11 to obtain greenhouse environmental data，Raspberry Pi 3B was used to analyze the obtained data，and a set of APP was developed for users to read the temperature and humidity information of greenhouse environment at any time，so as to facilitate users to monitor the temperature and humidity of greenhouse in real time. After the actual operation and detection in the Intelligent Agricultural Engineering Research Center，the system runs well and has certain promotion space.

Keywords：Raspberry Pi;monitoring system;internet of things

0  引  言

我國是农业大国，农作物种植依然是农民的主要收入途径。随着近几年智慧农业的发展，物联网技术已经在现代种植业中发挥了重要的作用，既提高了现代种植业的生产效率，同时也大大降低了人力劳动成本。

然而在农业生产的实际操作中依然面临一些困难。农业种植管理依然保持传统的生产模式阶段，且主要靠人力进行管理，通过提高作物的产量与品质来发展农业生产。大部分土地种植经营者文化水平不高，种植技术比较落后，外加天气的经常变化及季节更替，大田种植不宜于管理与现代化器械设备的应用。为了有效利用耕地，改善植物生长环境，方便管理，规模化的大棚种植发展成为了一些农村的重要产业。

应用温室大棚种植农作物，在中国北方地区应用很广，人们常说的大棚菜就是利用温室技术种植出来的蔬菜。虽然说温室技术在我国应用很广，但是都是温室技术的简单应用，利用塑料薄膜把农作物罩起来保温保湿，属于学术上谈到的日光温室技术，应用计算机技术的智能温室应用较少。[1]

本文依据数字农业重点学科项目研究内容进行论述，以吉林农业科技学院电气与信息工程学院智慧农业工程研究中心作为数据采集基地，主要在温室花卉种植方面采用树莓派小电脑读取温室花卉温湿度数据，通过传感器技术与嵌入式技术实现对温室花卉植物生长环境信息的感知，获取环境数据来分析花卉植物的最佳生长条件，方便规模花卉种植者进行精准管理。

1  树莓派概述

树莓派是Raspberry Pi电脑板的中文译名，是世界上最小的卡片式电脑。近年来，树莓派由于其外形小巧、携带方便等优点，在开源硬件领域成为高阶的硬件产品。[2]树莓派早期有A和B两个型号，后期又推出B+和A+两个型号，目前已经更新到第四代。就像其他任何一台运行Linux系统的台式计算机或者便携式计算机那样，利用树莓派可以做很多事情。它可以使用SD卡作为“硬盘”，可以外接USB硬盘;可以播放视频，甚至可以通过电视机的USB接口供电。通过树莓派实现的物联网应用场景为物联网的实现提供了硬件基础。利用物联网来监测和维护植物的正常生长，使用传感器与植物相结合，监测植物的实时状态。

2  硬件设计

硬件设计部分通过温湿度传感器获得温室土壤温度和湿度数据信息，通过树莓派读取传感器中的数据并将其传到物联网开发平台中，具体设计方案如图1所示。

2.1  数据采集模块

数据采集模块采用温湿度传感器DHT11，这是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器。[3]湿度±5%RH，温度±2 ℃，量程湿度20%～90%RH，温度0～50 ℃。

每次查询数据的间隔时间要大于2 s，否则可能会出现数据不准确的情况。首先由主机发送起始信号，起始信号为低电平，时间大于18 ms然后传感器开始应答，先输出80 μs的低电平，然后输出 80 μs的高电平，提醒主机准备接收信号。随后传感器开始传输数据，共发射四十位数据，前八位为温度数据整数位，再往后八位为温度数据小数位，再往后八位是湿度数据整数位，再往后八位是湿度数据小数位，再往后八位是校验位，数据0的表示方式为50 μs的低电平加26～28 μs的高电平;数据1的表示方式为50 μs的低电平加70 μs的高电平。

校验方式为：数据传送正确时校验和数据等于“8 bit温度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据”所得结果的末八位。

2.2  数据分析模块

该模块选用树莓派3B版本。通过树莓派小电脑驱动地表感知传感器采集空气温湿度、光照强度等常见的植物生长性状，并将感知层采集到的信息通过Wi-Fi上传到数据库进行存储，方便数据的调用。并可通过相应软件对其数据进行管理操作。系统采用Python语言进行代码的编辑，MySQL作为数据库。通过整合代码，实现间隔m分钟自动采集传感器数据，并传给MySQL。其核心代码如下所示：

def main（m=0）：

print（"Start collection data，interval [%s] minutes" %（m））;

while True：

while True：

now=datetime.datetime.now（）

ifnow.minute % m == 0：

break

time.sleep（20）

print（datetime.datetime.now（））

caiji（pos）

if m>1：

time.sleep（（m-1）*60）

else：

time.sleep（60）

main（10）

电路配置方面，选用DHT11型号的温湿度传感器，使用3.3 V电源将其接到树莓派和面包板中，然后将树莓派GP10口接到面包板上，在面包板上插入一个10 000 Ω的电阻即可。

2.3  ActorCloud

ActorCloud是由杭州映云科技有限公司开发的物联网平台，基于EMQ X企业级消息中间件，是面向企业物联网的一站式支撑服务系统，能够协助企业在几天内实现对物联网设备与网络的全面管控，并建立起与企业IT流程融合的運维与运营体系。ActorCloud提供企业内部的私有部署能力，具有更强的可控性和安全性。

3  软件部分

为方便用户实时监控温室花卉数据，实现对温室环境的智能控制，通过软件设计GUI界面。主要使用Android进行设计，软硬件之间依靠Socket通信进行交流，从而实现手机客户端对树莓派服务器端的控制。[4]系统主要包括登录模块、环境数据查询与分析、历史数据查询、视频监控模块。系统开机初始化后进入监控系统界面，通过获取传感器数据显示土壤温度、湿度等属性信息，当某一属性信息达到临界值时将启用报警模式。主要模块效果如图2所示。

（1）用户登录模块。该模块主要包括一个用户登录入口、用户注册接口、取回用户密码接口和帮助说明;（2）温湿度监控模块。该模块主要用于接收树莓派传来的电信号加以处理并作为温湿度表盘所显示的数据来源，APP利用ActorCloud开源平台间接接收信号，表盘接收信息加以处理显示;（3）历史记录查询模块。此模块具有查询功能，帮助用户获取近期温湿度变化折线图，利于用户改善种植计划;（4）温湿度自反馈模块。此功能模块具有基于大数据的分析预测机制，可对未来数据进行预测，利用历史数据及函数分析得出预测函数，加以分析计算产生预测数据，并与实际数据进行对比分析，做出相应反馈，使用户获得最大经济效益。并且此模块还具有报警系统，可基于温湿度变化阈值做出自反馈，发出报警;（5）用户体验反馈模块。该功能模块提供一个向开发者反馈的渠道，以便更好地了解用户的需求及解决用户所遇到的问题，方便开发者对产品进行优化、升级和维护;（6）云论坛模块。此模块分为用户交流平台、相关商品推送、数据库查询、及公告栏等几部分。给用户们提供一个多维度的交流平台，方便用户进行知识学习、了解市场最新需求及商业合作信息，促进相关产品的销售，利于产业发展，对于用户的反馈进行回复及新版本优化公示等。

4  测试与结果

系统运行结果如图3所示。通过测试可以看到运行多次的结果可能不一致，这是正常情况，因为这个型号的温湿度传感器本身就不是非常精确的传感器，且环境温度一直在变化。

通过以下调节方式查看温度传感器的变化情况：（1）用手掌握住传感器，可以利用人体体温加热，让传感器测量的温度上升;（2）通过物理方式给传感器降温，让传感器测量的温度下降;（3）不停测量温度的变化情况。

5  结  论

本文利用树莓派小电脑在温室花卉种植方面进行温湿度的监控，并提出供用户实时监测数据的APP的设计方案。用户通过查看APP界面可以方便地浏览温室当前的温湿度或历史记录值，软件还可以通过历史记录值对未来的温湿度进行预测并为用户提供交流平台，为用户进行温室花卉养殖提供便利。通过在智慧农业工程研究中心的实际使用，该系统的效果良好。

参考文献：

[1] 宋志扬.基于树莓派的温室大棚监控系统设计 [J].电脑知识与技术，2019，15（6）：205-206.

[2] 霍昕泽.基于树莓派的智能监控系统 [J].现代工业经济和信息化，2017，7（11）：105-106.

[3] 李雅婷，史文雅，金红娟，等.基于树莓派的智能加湿器的设计 [J].电子世界，2019（24）：139-140.

[4] 王钢，黄连丽，张松峰，等.基于树莓派的智能家居系统 [J].现代计算机，2019（32）：85-87+100.

作者简介：黄斌（1982.12—），女，汉族，吉林永吉人，系主任，讲师，硕士，研究方向：计算机应用技术;邓雨坤（2000. 02—），男，汉族，吉林延吉人，就读于电气与信息工程学院软件工程系，本科在读，研究方向：软件工程。