基于树莓派和云平台的智能花卉浇灌系统设计

2021-10-16张钦然牛军

科学与信息化 2021年24期

张钦然牛军

南阳理工学院信息工程学院河南南阳 473000

引言

近几年来，随着人民生活的越来越好以及科学技术的飞速发展，追求高质量的生活的人也变得越来越多，在房间或者办公室里养一些绿色植物，变成了大多数人的选择。一些合适的植物能够净化有害物体，帮助人们放松压力、增氧[1]，但是在培育过程中人们常常疏于对植物的照顾，使得植物死亡。在欧美发达国家，2014年Ahmed等在文献[2]中涉及了一种无线网络传感器的花草智能浇灌系统，通过传感器检测土壤的湿度，然后远程控制浇水装置，高效的对作物进行了灌溉。在我国，学者汪晓晨在文献[3]中讨论了一种自主浇花系统，采用了AVR微控芯片为主控设备，通过微控芯片控制继电器实现浇水。学者崔庆权等人在文献[4]中实现了一种简易的智能控制浇花系统，该系统设计简单，能够根据土壤的湿度对植物自动浇水。但是以上均无法实现对当前温湿度的实时监测和及时的控制。

1 系统的总体设计

基于树莓派和云平台的智能花卉浇灌系统设计由树莓派中央控制系统、各种传感器和阿里云IoT平台三部分构成。具体系统框架如图1所示。

图1 系统总体结构图

系统通过温湿度传感器DHT11获取空气温湿度；通过HCSR04超声波传感器实现对水位的精准监控；通过DFROBOT电阻式土壤湿度传感器完成对土壤湿度的精确采集，继而控制继电器、蜂鸣器等硬件模块[5]。传感器将采集到的信息传输到树莓派，树莓派通过自带的Wi-Fi信号模块将数据传输到阿里云IoT平台，使得采集的数据在阿里云物联网平台存储并且实时刷新，从而实现了树莓派与阿里云IoT平台数据的实时交互。通过阿里云飞燕平台，搭建基础的手机APP，实现手机端与阿里云IoT平台的互联，从而完成树莓派、阿里云IoT平台、移动端三端数据互联。实现了手机对当前环境信息的实时监控，并且通过手机对花盆的进行远程控制。

2 系统主要硬件电路设计

2.1 空气温湿度模块电路设计

该部分电路原理图如图2所示，DHT11通过采集当前环境的温湿度，然后将数据通过P3.0引脚将数据发送至树莓派。

图2 DHT11电路原理图

2.2 土壤湿度模块电路设计

对于土壤湿度的采集，所运用的是DFROBOT电阻式土壤湿度传感器，其原理图如图3所示。由于输出信号为模拟信号，不能被树莓派直接进行数据处理，因此需要经过数模转换。该传感器在检测时，土壤湿度越大，数值越小。同时在传感器的表面进行了镀金处理，增加了它的导电性和抗腐性，使得它可以使用更长的时间。

图3 土壤湿度模块电路原理图

2.3 数模模数转换模块电路设计

由于土壤湿度传感器采集信息后输出模拟信号，因此需要将模拟信号转化为数字信号，此处采用PCF8591模块，接受模拟信号并实时获取土壤湿度值。PCF8591原理图如图4所示。数模转换器PCF8591是一个有着高准确度、高效率的采集元件，同时采用串行I²C的通信方式，有着4输入1输出的模拟信息传输，数据地址的输入与输出以及控制都是经过I2C总线并且进行并行传输。

图4 PCF8591模块电路原理图

2.4 水位测量模块电路设计

HC-SR04超声波传感器原理图如图5所示，其具体工作原理为：

图5 PCF8591模块电路原理图

2.4.1 TRIG引脚开启测试，给予该引脚一个高电平输出，记录当前时间Tstar。

2.4.2 再发送高电平的同时在ECHO端输出一个低电平。

2.4.3 当树莓派收到数据返回时，给予ECHO引脚一个高电平，记录当前时间Tend。

2.4.4 所测的距离为（Tstar-Tend*声音的速度）/2。

3 系统软件设计

3.1 手机APP软件设计

手机APP软件是通过飞燕平台进行设计，相比于阿里云IoT studio工具构建APP发布时需要进行域名的安全备份，飞燕平台的APP设计相对简便，并且同属阿里云旗下，移植方便。该APP的构建主要分为四个部分：功能定义、人机交互、设备调试、批量生产。配置完成后，即可完成手机APP软件的设计，具体如图6所示。

图6 手机APP界面图

3.2 主系统软件设计

主程序流程如图7所示。

图7 主系统程序流程图

当用户拿起手机，打开APP时，手机会自动与阿里云进行连接，当连接成功后，会自动检测当前的环境信息，判断当前环境是否正常，若当前蓄水池水位过低时，会打开蓄水池进水开关；当土壤干燥时，打开浇水开关；当前温度过低时，会对手机进行低温告警推送，及时告知用户，从而保证植物的正常生长。

4 系统功能调试及分析

4.1 功能调试

本文制作的智能花卉浇灌系统实物如图8所示。在调试过程中，首先对浇灌系统进行了功能调试，然后进行手机APP的连接测试，最后进行联合调试，完成了整个的功能调试。

图8 系统整体实物图

4.1.1 装置功能的调试，正常开机后，树莓派自动与阿里云相连。树莓派将采集到的房间信息上传至阿里云，此时可以在阿里云物联网平台看到实时刷新的环境信息，其中蓄水池水位与房间温度数据如图9所示。

图9 阿里云物联网平台显示界面

4.1.2 手机APP功能调试，手机APP显示界面如图10所示。此时浇水开关开启，当按下【进水开关】键，手机会通过阿里云将指令传输至树莓派，树莓派通过订阅相应主题，接收到该指令，并打开进水开关（此处用继电器代替）。如图11所示。当环境温度过低时，会向用户手机APP发送温度过低报警，如图12所示。

图10 手机APP显示界面

图11 两个继电器开启

图12 手机APP告警推送

从长时间观察分析来看，此智能浇灌系统能够稳定的、智能化的完成对植物的实时监控且根据当前环境对植物进行浇水操作。数据的更新十分高效且告警信息的主动推送使得使用者能够更加方便快捷地得知植物目前的危险状况。从成本来看，数据的上传和下发需要向阿里云IoT平台缴纳一定的费用，但是费用十分微小可忽略不计。综合来看，此设计成本低廉，数据实时更新并且实行对花卉的智能化管理。具有一定给市场价值。