关于树莓派驱动的物联网滴灌系统的研究

西北民族大学电气工程学院 王飞洋 张 文 刘 翀 阳泰臣

随着基于物联网控制技术的快速发展，我国提出了发展智慧农业的战略，诸如瓜果蔬菜的浇水时间、施肥、打药等，怎样保持精确的浓度、如何实行按需供给等一系列作物在不同生长周期曾被“模糊”处理的问题都有信息化智能监控系统实时定量“精确”把关，农民只需按个开关、做个选择或是完全听“指令”， 就能种好菜、养好花。

智能灌溉系统以往采用的是定时开关水阀来实现的，这些类型的灌溉系统无法对植物的生长情况实时监控，同时也无法根据环境的变化对出水量进行调整。虽然这些局限性在日常的家庭使用中还不太明显，但是对于我国的12593万公顷的农业土地面积来说，如果不对灌溉进行更严密的控制势必会造成资源紧缺和消耗过大的问题，甚至会导致产量下降的风险，给我国的农业经济带来不可挽回的损失。

基于以上问题，本项目便是基于树莓派驱动的物联网滴灌系统，并在该系统基础上加入了手机端控制和各种实时检测植物信息的模块，利用物联网来监测和维护植物的正常生长，使用现有的工具将传感器与植物相结合，监测植物的实时状态，同时根据实时上传的数据做出相应的操作。本项目采用的是滴灌的浇灌方式，这种浇灌方式相对于以往的淹灌、漫灌来说，大大减少了用水量，从而避免了资源消耗过大的问题。

1 控制系统的总体设计方案

本项目是可以在模拟的农田场景中利用实时监控观察植物的生长情况和土壤的状况并配合其他模块，从而保证使用最少的水资源完成最大程度的灌溉。在农业生产中主要实现对于土壤状况、温湿度以及光照信息的采集，利用滴灌的方式对农田进行灌溉；在家庭中也可以利用这个灌溉系统，通过模块采集数据并将其发送到手机端，可以保证即使离家也可以对于植物和土壤进行实时的监控，并进行及时的浇水。

该控制系统最重要的功能是实现监测土壤状况和植物状况从而实现调整出水时间。本项目通过树莓派将各种模块的实时数据传给手机端，分析采集到的数据，手机端发送命令，达成灌溉的目的。为达成此目的，此项目将树莓派与云端相结合；这不仅方便了此系统的推广，更让灌溉变得简洁化、明了化；同时，在手机端操控还可以对其进行远距离操作，解决了人必须在农田上选择适当的时机进行灌溉的问题（系统框图如图1所示）。

图1 系统框图

2 硬件设计与实现

2.1 系统硬件结构的设计

在本项目中，为了实现基于树莓派的智能浇灌系统，在硬件的整体结构设计上不能像传统的自动浇水装置一样；为了可以采集土壤的实时情况，必须将各类传感器与树莓派相连；同时，还必须保证硬件外部有保护壳，不然在滴灌时有可能影响整个硬件系统的工作，所以本项目将树莓派以及电源模块放置在木盒中，防止其因不慎接触到水而导致的无必要的损伤，同时将各个传感器放置出来以便采集数据及时传给树莓派。

2.2 控制系统电路合理性和稳定性的设计

本项目中由于要实现的功能较多，必须使用到很多模块，在不同模块的使用上用到了不同的通讯协议，所以在电路设计上要根据不同I/O口所具有的硬件资源将不同模块接在合适的I/O口上，以实现硬件资源的合理使用。

该项目中会使用到多种电压，其中电机的驱动需要的电压最高——12V左右，所以使用12V的电池作为总的电源输入，并直接用电源电压对12V电磁阀进行供电，对树莓派的供电需要5V的电压，所以需要在电路中加入稳压模块。

图2 程序执行流程图

3 软件的设计与实现

本项目是基于树莓派为控制核心的灌溉系统，所以我们选用大家都比较熟悉的C语言编程，树莓派可以直接编写代码，不用基于各种编程软件进行编写，相对于其他设备来说较为简单；同时，树莓派连接云平台较为方便。本项目将通过云平台将树莓派和手机设备连接起来，同时运用模块化编程，这大大增强了代码的可阅读性，对于代码的调试和模块的监测也比较方便。

在代码设计与实现中，需要注意的是为了更加快捷方便实现项目功能，不应直接将各个模块的代码直接添加进一个工程内进行调试，而应该对各个模块进行分别调试，在各个模块能够单独实现项目所需的功能后再将各个单独的工程添加进同一个工程中进行联合调试，实现模块间的相互通信从而完成项目需求。程序执行流程图如图2所示。

4 本项目的创新点

本项目硬件结构合理，方便拆卸、更换模块，同时还可以适应不同的环境。另外，在本项目上首次使用树莓派作为主控装置，其具备数据处理快、信息储存量大、操作方便等有点，同时连接云平台较为方便。手机端接收到模块实时监测的数据，可以使用手机端远程控制开关电磁阀，这就大大减少了人工的工作量，同时还保证了灌溉时间的灵活性和水资源利用的高效性。采用滴灌的浇灌方法能做到适时地供应作物根须所需水分，不存在外围水的损失问题,使得水的利用效率大大提高。

5 项目研究中遇到的部分问题及应对思路与措施

在项目研究过程中，部分成员对于树莓派的开发经验不足，在程序编写以及模块学习上存在很大的困难。例如代码移植整合过程中出现较多问题，针对这一问题，我们在调试过程中查看树莓派对应官方数据手册并结合官方对外设配置讲解的书籍，从而更加深入了解调试过程。此外，对于一些配置过程复杂的模块或外设在互联网上寻找视频教程进行进一步的了解，以便在项目学习过程中遇到问题可以得到较快的解决。还有就是有些成员第一次参与项目，会出现较多不利于后期联合调试的地方，为后期项目的整体制作过程带来了困扰，同时也存在知识学习不扎实的问题，导致前期项目准备周期很长，对此，我们小组经常开会进行沟通学习，以推动项目顺利进行。

总结与展望：本项目研究的是“基于树莓派的物联网滴灌系统”，主要解决的是实时返回土壤以及周边环境的各项指标数据和对于灌溉时间自主控制两各方面的问题。在实时返回数据这个方面必须数据准确，需要多次采样和处理数据的功能，自主控制灌溉时间就是要解决PC端或者手机端和树莓派之间可以相互通信从而顺利接收树莓派数据。当然，还要使用其他部分的模块从而完成项目所需的附加智能功能。

本项目设计的“基于树莓派的物联网滴灌系统”具有较强的环境适应力和稳定性，具有一定的使用价值，但部分功能还不太完备；同时并没有大范围投入使用以观看使用效果，因此还需要进一步研究实践。该项目符合当下“共享+”的热潮，正应当下社会潮流，可以说具有不小的潜在价值。