基于樹莓派的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋志揚(yáng)

摘要：該文針對目前傳統(tǒng)溫室大棚管理落后、自動(dòng)化低等缺點(diǎn)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種基于樹莓派的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。它以樹莓派3B作為控制中心，利用溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測，通過sql server和java語言實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和GUI界面的開發(fā)，并且可以在手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下控制外部設(shè)備以調(diào)節(jié)溫室大棚環(huán)境。經(jīng)測試，系統(tǒng)操作簡單、性能穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；樹莓派

中圖分類號：TP20 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）06-0205-02

1 背景

溫室大棚是一種可以為用戶提供種植反季節(jié)農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施，而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理模式下的溫室大棚依然存在著管理復(fù)雜、技術(shù)落后等缺點(diǎn)[1]。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以提高溫室大棚的生產(chǎn)效率、實(shí)現(xiàn)溫室大棚的高效管理，順應(yīng)了當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展道路。因此，該文提出了使用樹莓派3B作為控制模塊，結(jié)合溫濕度檢測、光照強(qiáng)度檢測，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室大棚內(nèi)溫濕度大小和光照強(qiáng)度大小，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，為管理者提供可以查看當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制外部設(shè)備的GUI界面，并可以手動(dòng)或自動(dòng)控制外部設(shè)備以調(diào)節(jié)當(dāng)前溫室大棚環(huán)境的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)以樹莓派3B為核心、主要由數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊包含溫濕度傳感器和光照強(qiáng)度傳感器。溫濕度傳感器用于采集溫室大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度傳感器用于采集溫室大棚內(nèi)光照強(qiáng)度，數(shù)據(jù)分析模塊將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，為管理者提供GUI界面，并通過向外部設(shè)備發(fā)出控制信號，以實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。該設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如下圖1所示。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊功能為從溫室大棚中采集環(huán)境數(shù)據(jù)。溫濕度采集使用了DHT11數(shù)字型溫濕度傳感器，測量溫度范圍：0℃-50℃，誤差±2℃，測量濕度范圍：20%-90%RH，誤差在±5%RH。光照強(qiáng)度采集使用了GY30數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器，測量光強(qiáng)范圍：0-65535lx，具有價(jià)格低、精度高的特點(diǎn)。傳感器均需要通過Zigbee實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)，并將從各個(gè)大棚中采集到的數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器中，然后將協(xié)調(diào)器中的數(shù)據(jù)通過串口傳送到樹莓派中[2]。

3.2 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊使用了樹莓派3B作為控制模塊。樹莓派由英國慈善組織“Raspberry Pi 基金會(huì)”開發(fā)，雖然體積小，但基本具備所有計(jì)算機(jī)的基本功能。它以SD卡作為內(nèi)存，擁有USB接口、以太網(wǎng)接口和HDMI輸出接口，具有體積小、價(jià)格低、功能全、擴(kuò)展性高和開發(fā)簡單等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)分析模塊獲得數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。該系統(tǒng)使用了sql server的數(shù)據(jù)庫管理軟件，數(shù)據(jù)庫管理軟件為我們和物理數(shù)據(jù)庫之間提供了一個(gè)橋梁，開發(fā)人員不必了解物理數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)造，而直接使用數(shù)據(jù)庫管理軟件就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和增刪改查。數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式如下表1所示。

數(shù)據(jù)分析模塊還需要為管理者提供GUI界面，實(shí)現(xiàn)查看監(jiān)測數(shù)據(jù)和對外部設(shè)備的控制。該系統(tǒng)的GUI界面通過Java語言開發(fā)。Java中GUI界面開發(fā)需要依次建立若干層容器和組件，以降低各組件的耦合度。然后通過JDBC即用于執(zhí)行sql語句的Java API實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交互，并將從數(shù)據(jù)庫中獲取

的數(shù)據(jù)顯示在GUI界面上以便管理者進(jìn)行查看。管理者還可以選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)模式和自動(dòng)調(diào)節(jié)模式。手動(dòng)調(diào)節(jié)模式中，管理者可以通過GUI界面發(fā)送控制信號。自動(dòng)調(diào)節(jié)模式中，如果采集的數(shù)據(jù)超出用戶設(shè)定的閾值時(shí)就會(huì)發(fā)送控制信號，外部設(shè)備接收到控制信號后就會(huì)進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。

4 測試與結(jié)果

該系統(tǒng)的測試[3]主要通過模擬手動(dòng)調(diào)節(jié)模式和自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下系統(tǒng)能否正常進(jìn)行工作。在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，通過GUI界面實(shí)現(xiàn)了對各個(gè)外部設(shè)備進(jìn)行控制。在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，當(dāng)溫度過高時(shí)，開啟降溫設(shè)備以降低溫度；當(dāng)溫度過低時(shí)，啟動(dòng)升溫設(shè)備以提高溫度；當(dāng)濕度過高時(shí)，開啟通風(fēng)設(shè)備以降低濕度；當(dāng)濕度過低時(shí)，開啟加濕設(shè)備以提高濕度；當(dāng)光照強(qiáng)度過低時(shí)，開啟日光燈以提高光照強(qiáng)度；當(dāng)光照強(qiáng)度過高時(shí)，關(guān)閉日光燈以降低光照強(qiáng)度。經(jīng)測試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

該文給出了一種基于樹莓派的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了對溫室大棚內(nèi)的數(shù)據(jù)采集和分析功能。該系統(tǒng)能將監(jiān)測的溫室大棚環(huán)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中，管理者可以通過GUI界面查看當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對外部設(shè)備的控制。并且可以根據(jù)管理者的需要使用不同的工作模式。該系統(tǒng)交互界面簡潔、易于控制、可擴(kuò)展程度高、性能穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李云強(qiáng). 基于Arduino的智能溫室大棚的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 國外電子測量技術(shù)， 2018， 37（5）： 114-118.

[2] 李啟東， 馬雪芬. 基于ZigBee的大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 南方農(nóng)機(jī)， 2019， 50（1）： 50-51.

[3] 韓力英， 楊宜菩， 王楊， 等. 基于單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2016， 37（1）： 65-68， 72.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】