溫室內(nèi)部空氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)與研究

◆關(guān)麗華

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溫室內(nèi)部空氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)與研究

◆關(guān)麗華

(山西經(jīng)貿(mào)職業(yè)學(xué)院山西 030000)

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微型傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。通過(guò)對(duì)溫室內(nèi)部的空氣環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與在線存儲(chǔ)，大幅減少了人工作業(yè)，并有效提升了溫室大棚空氣環(huán)境數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度與實(shí)時(shí)性。在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源利用率、促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面都有著非常重要的意義。

傳感器技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；溫室管理；空氣檢測(cè)

0 引言

在溫室大棚的運(yùn)行過(guò)程中，空氣的溫濕度、二氧化碳與氧氣的含量變化是幾個(gè)非常重要的參數(shù)，將上述條件通過(guò)技術(shù)手段將其人為控制在最優(yōu)范圍內(nèi)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的作物產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益有著重要影響，而準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能則是設(shè)計(jì)合理有效的環(huán)境控制方案的必要前提條件。

1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集終端需要實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部的4項(xiàng)空氣環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、二氧化碳濃度及氧氣濃度）的采集以及數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與上傳功能，數(shù)據(jù)采集功能通過(guò)在Raspberry Pi 3B+平臺(tái)上搭載微型傳感器設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些傳感器使用杜邦線與Raspberry Pi 3B+平臺(tái)所提供的GPIO接口（40個(gè)接口中含多個(gè)電源輸出即數(shù)據(jù)I/O接口）連接并進(jìn)行信號(hào)傳輸[1]。而數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換與遠(yuǎn)程上傳功能則由在Raspberry Pi 3B+平臺(tái)運(yùn)行的Python程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。

1.1 二氧化碳數(shù)據(jù)的采集功能

系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)二氧化碳數(shù)據(jù)的采集功能所選用的氣體傳感器模塊為BYC11-CO2，在本項(xiàng)目中，主要使用BYC11-CO2傳感器的3個(gè)引腳：Pin1（信號(hào)輸出），Pin4（接地），Pin5（供電輸入）。BYC11-CO2與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

表1 BYC11-CO2線路連接方式

BYC11-CO2發(fā)送的是一組高低電平脈沖信號(hào)，檢測(cè)24位數(shù)據(jù)（16位數(shù)據(jù)與8位校驗(yàn)位）以高電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間進(jìn)行描述，以低電平信號(hào)為結(jié)束標(biāo)記。信號(hào)的處理基于對(duì)傳感器輸出電平變化的檢測(cè)來(lái)完成，其中第一個(gè)循環(huán)用于等待高電平信號(hào)的接收（即等待信號(hào)開始），第二個(gè)循環(huán)用于等待低電平信號(hào)的接收（即等待信號(hào)結(jié)束）。在完成24位信號(hào)的接收過(guò)程后，首先將數(shù)組中記錄下來(lái)的時(shí)間長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換條件為數(shù)組單元（下標(biāo)從0-15）中的值大于等于100（毫秒）時(shí)，更新該單元的值為1，否則為0，然后再將數(shù)組中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至內(nèi)存中等待上傳。

1.2 溫度數(shù)據(jù)的采集功能

系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)采集功能所選用的傳感器模塊為DHT11，在本項(xiàng)目中，主要使用DHT11傳感器的3個(gè)引腳：Pin1（供電輸入），Pin2（接地），Pin3（信號(hào)輸出）。DHT11與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表2所示。

表2 DHT11線路連接方式

DHT11發(fā)送的是一組由高低電平脈沖信號(hào)描述的24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中高8位為校驗(yàn)值，第16位為溫度數(shù)據(jù)且最高位為正負(fù)值標(biāo)識(shí)。溫度信號(hào)的處理通過(guò)對(duì)高低電平變化的檢測(cè)來(lái)完成，首先將高電平信號(hào)時(shí)長(zhǎng)以1或0的形式存儲(chǔ)至數(shù)組中，然后再將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)據(jù)并根據(jù)第16位的數(shù)值設(shè)置其正負(fù)。

1.3 濕度數(shù)據(jù)的采集功能

本系統(tǒng)選用的濕度采集傳感器模塊為DHT12，該設(shè)備屬于感濕電阻式濕度傳感器，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性。在本項(xiàng)目中，主要使用DHT12傳感器的3個(gè)引腳：Pin1（供電輸入），Pin2（信號(hào)輸出），Pin3（接地）。DHT12與RasPberry Pi 3B+的GPIO接口的線路連接方式如表3所示。

表3 DHT12線路連接方式

DHT12發(fā)送的是一組由高低電平脈沖信號(hào)描述的24位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中高8位為校驗(yàn)值，第16位為濕度數(shù)據(jù)，RasPberry Pi 3B+對(duì)信號(hào)的處理過(guò)程與上文中的二氧化碳數(shù)據(jù)處理過(guò)程相同。

1.4 氧氣濃度數(shù)據(jù)的采集功能

系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)氧氣濃度數(shù)據(jù)采集功能所選用的傳感器模塊為4OCV，該設(shè)備屬于固態(tài)電解質(zhì)傳感器。在本項(xiàng)目中，主要使用4OCV傳感器的3個(gè)引腳：Pin2（供電輸入），Pin3（接地），Pin8（信號(hào)輸出）。4OCV輸出的信號(hào)為80位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中第49至64位為檢測(cè)值，第41至48位為檢測(cè)氣體當(dāng)量，溫度信號(hào)的處理通過(guò)對(duì)高低電平變化的檢測(cè)來(lái)完成，首先需要將檢測(cè)值與氣體當(dāng)量分別進(jìn)行電平分析獲取二進(jìn)制數(shù)據(jù)，然后還要通過(guò)兩次進(jìn)制轉(zhuǎn)換分別將數(shù)值第49至64位以及第41至48位的監(jiān)測(cè)數(shù)值與氣體當(dāng)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行除法運(yùn)算來(lái)獲得氧氣濃度值結(jié)果。

1.5 數(shù)據(jù)的上傳功能

Python語(yǔ)言中的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口為Python DB-API，該接口提供了一系列數(shù)據(jù)庫(kù)模塊及訪問(wèn)對(duì)象，為開發(fā)人員從不同種類的數(shù)據(jù)庫(kù)的存取信息提供了良好的支持[2]。對(duì)于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，Python DB-API中與之對(duì)應(yīng)的是MySQLdb模塊，該模塊基于MySQL C API建立，在使用之前需要在RasPberry Pi3B+平臺(tái)的Linux系統(tǒng)中下載并安裝此模塊。

其中數(shù)據(jù)庫(kù)的連接建立需要使用MySQLdb對(duì)象的connect方法，而游標(biāo)的建立則使用數(shù)據(jù)庫(kù)連接對(duì)象的cursor方法，最后通過(guò)游標(biāo)對(duì)象的execute方法來(lái)執(zhí)行SQL命令字符串。此外，在服務(wù)器端接收數(shù)據(jù)時(shí)，我們將服務(wù)器MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)端口號(hào)由默認(rèn)的3306修改設(shè)置為23961，以盡量避免服務(wù)器受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。

2 結(jié)語(yǔ)

本文基于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理企業(yè)在當(dāng)前溫室大棚管理工作中的現(xiàn)實(shí)需求與未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，設(shè)計(jì)了一套能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)部空氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的硬件設(shè)備組建方案，為提農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理工作效率、提高農(nóng)作物產(chǎn)量、降低運(yùn)營(yíng)成本等方面提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

[1]趙建軍.基于RasPberry Pi的傳感器開發(fā)[J].山西電子技術(shù)，2017，6(1)：122-124.

[2]李一凡.樹莓派平臺(tái)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].閩江學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，1(2)：57-59.