基于樹莓派和LabVIEW 的嵌入式農(nóng)業(yè)

付鉑瑞，陳甲平

（武漢城市學(xué)院，湖北武漢 430083）

近年來，隨著人口的持續(xù)增長，人們對自然資源的需求量也有所增加。水、新鮮空氣和土壤會直接影響人類的生活質(zhì)量和健康。然而，地球上的資源是有限的，哪怕是在高科技的現(xiàn)代，全球經(jīng)濟狀況依然無法負擔(dān)得起資源的浪費。從當(dāng)前局面來看，有效管理資源是首要目標(biāo)，它能降低污染性資源帶來的風(fēng)險，并對環(huán)境的影響保持在自然可調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。近年來，智慧農(nóng)業(yè)有了長足的發(fā)展，生產(chǎn)能力和效率相較傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)做出了最大改進。隨著機械控制的自動化發(fā)展，溫室技術(shù)逐步走向成熟，該文主要對使用遠程監(jiān)控農(nóng)業(yè)技術(shù)遇到的問題進行多方面分析，改變了硬件模塊，該技術(shù)的創(chuàng)新點在于硬件使用了Raspberry pie 來提供穩(wěn)定、快速的數(shù)據(jù)傳輸功能，與此同時，程序端也有所改進，配置環(huán)境采用LabVIEW，數(shù)據(jù)采集和處理通過MQTT 協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，并采用Python 編程語言。用戶通過該系統(tǒng)完善農(nóng)業(yè)發(fā)展，同時也能獲得最大生產(chǎn)力所帶來的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該文介紹了一種利用無線通信測量大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的方法。智能灌溉系統(tǒng)的無線技術(shù)會受到溫室效應(yīng)的影響，人們利用最新的嵌入式農(nóng)業(yè)系統(tǒng)來監(jiān)控智能灌溉系統(tǒng)。如果要進行數(shù)據(jù)傳輸，就需要用到智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如WIFI、ZigBee 等端口配備的各種傳感器裝置，相繼在大數(shù)據(jù)中的感知層開展對各種類型信息的識別[1]。收集如下幾個方面的信息：大棚內(nèi)的溫濕度、光照強度、pH 值、CO2濃度參數(shù)[2]；信息收集完后，由端口執(zhí)行對信息的剖析乃至處理，處理結(jié)束后將信息傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器又將信息經(jīng)過端口RS485 轉(zhuǎn)發(fā)給GPRS-DTU,GPRS-DTU 再采用HTTP 協(xié)議通信的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行分析，對比數(shù)據(jù)庫里的信息，提供問題的最優(yōu)處理方案，展開持久化、常態(tài)化、可視化等作業(yè)。

智慧農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，只有使用前沿技術(shù)才能解決氣候條件和有限的水資源導(dǎo)致的許多問題?；诖耍闹袑嵤┎⒀芯苛艘环N在農(nóng)業(yè)場景下采用的LoRa（遠程）控制技術(shù)，LoRa 是一種能夠提供遠距離傳輸安全數(shù)據(jù)的無線技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，通過收到并儲存的信息，再經(jīng)由傳感器LoRa傳輸?shù)絋ata，作為JSON 字符串并儲存在數(shù)據(jù)庫[3]中，可以通過一個Python腳本在微軟中看到Azure Cloud，它能使Tata 和Azure Cloud 之間相連接。云空間收到的信息會存儲在基于MySQL 的查詢程序中。通過一個表ID 對數(shù)據(jù)進行排序并添加到Python 腳本中。該系統(tǒng)允許測量和遠程控制土壤水分，降水、灌溉參數(shù)，體積和蒸發(fā)量，并由灌溉系統(tǒng)管理參數(shù)。系統(tǒng)還提供了一些熱量、霜凍的持續(xù)時間等農(nóng)業(yè)的重要數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)庫中的參考數(shù)據(jù)。Libelium 的硬件和軟件主要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，這是一種低功耗的報文傳輸協(xié)議，使得無線節(jié)點能夠減少上傳數(shù)據(jù)包的大小，降低了無線節(jié)點的發(fā)射功耗[4]。

Libelium 架構(gòu)由兩種類型的設(shè)備組成：一種是Waspmotes，可以連接一個或多個硬件站，將傳感器內(nèi)儲存的數(shù)據(jù)發(fā)送到平臺；另一種是Meshlium，擁有多個接收數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Waspmotes。傳感器允許其將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)/4G/3G/GPRS 傳輸?shù)皆瓶臻g作為備份數(shù)據(jù)[5]。

2 系統(tǒng)主要硬件組成

溫室監(jiān)測系統(tǒng)主要基于無線通信，由幾個傳感器組成，這些傳感器將提供所測得的溫度、濕度、光線以及信號強度，有一個存儲所有參數(shù)的數(shù)據(jù)庫和一個連接數(shù)據(jù)庫的App。所有數(shù)據(jù)都會跟中央服務(wù)器互連，芯片主要是Raspberry PI 板，它能通過互聯(lián)網(wǎng)進行發(fā)送和連接，這樣用戶端接收信息就不會受到時間和地點的限制。溫室內(nèi)部活動由執(zhí)行器觸發(fā)。合理控制小氣候參數(shù)并制定控制的策略，最簡單的一種是設(shè)置閾值控制設(shè)備驅(qū)動的最高值，避免了由于環(huán)境參數(shù)設(shè)置錯誤而導(dǎo)致農(nóng)作物壞死。這個進程中樹莓派的板塊包含了溫、濕度等自然環(huán)境指標(biāo)的信息采集傳感器、承擔(dān)讀取信息的端口單元及信號調(diào)制單元。借助轉(zhuǎn)換模塊將收集到的信息進行輸送，最后還有為以上所有模塊供給能量的供用電模塊。

該文的主要思想是實現(xiàn)高科技智慧農(nóng)業(yè)，通過精確測量和實時更新運行關(guān)于Android 系統(tǒng)應(yīng)用程序[6]。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

Andrew j.Skinneretal 研究了濕潤前沿探測器的最新發(fā)展，發(fā)現(xiàn)了一種以低能量的方法來收集灌溉和降雨條件下的土壤及水的瞬態(tài)樣品，并提出了一種簡單的四電極電導(dǎo)率傳感器，用于自動記錄在重力流作用下作物根區(qū)積累的鹽分，這是一種在灌溉循環(huán)過程中，從濕潤面提取到的土壤中的水鹽度。用微功率運算放大器驅(qū)動方法測量出鉑在陶瓷電池上的電導(dǎo)率，作為直流電流的信號，微功率運算放大器的整體電流與電導(dǎo)率成正比，以1∶200 的電流反射鏡將這種信號反射到一種處于電荷平衡的16-b模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的電橋中，由單個運算放大器與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器一起作用于該電橋，從而形成了低成本微控制器的內(nèi)部控制器[7]。同樣，電導(dǎo)電池上的鉑溫度傳感器與1RNA 電流源一起構(gòu)成第二個16-b 電荷平衡ADC 的重要組成部分。不需要儀表放大器，在使用過程中提取出鹽溶液和傳感器電路的溫度系數(shù)，生成精密的輸出EC 數(shù)字的溫度校正器，由數(shù)據(jù)記錄儀通過sdj-12 自動采集環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖

各種傳感器按照一定的預(yù)定義格式進行排列，在前端形成一個節(jié)點，前端的每個節(jié)點都由溫度傳感器、濕度傳感器、微控制器、節(jié)能低功耗發(fā)射器和單片機組成。圖3 前端每個硬件單元的詳細框圖如圖3 所示。

圖3 前端每個硬件單元的詳細框圖

智能控制器通過人工智能和互聯(lián)網(wǎng)中從用戶那里獲得的控制命令來管理農(nóng)場中發(fā)生的所有情況。該控制器主要負責(zé)從前端收集數(shù)據(jù)，將接收到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫進行比對，并執(zhí)行所需要的操作。該控制器執(zhí)行的各種操作包括從前端收集數(shù)據(jù)，通過開關(guān)繼電器控制灌溉通道，利用ZigBee 將收集到的數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)。該模塊擁有自己的收發(fā)器，能夠從前端接收真實的時間數(shù)據(jù)，通過控制水流量從而在控制灌溉系統(tǒng)繼電器的幫助下給系統(tǒng)提供接收到的數(shù)據(jù)，通過視頻運動實現(xiàn)攝像頭用帶寬更小的信號來傳輸視頻。

3 系統(tǒng)主要硬件組成

系統(tǒng)架構(gòu)主要有兩個部分：Raspberry PI 板和軟件部分，主要是用于查看傳感器Android 應(yīng)用程序Grafana 的參數(shù)和MQTT 連接。

3.1 硬件模塊Raspberry PI

Raspberry PI(RPI)是一種低成本GPIO（通用輸入/輸出）啟用板，可以在處理中用于控制傳感器和執(zhí)行器。RPI 可以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)快速地構(gòu)建原型。Raspberry PI 4是最新型號，是功能強大且豐富的板塊。

3.2 土壤濕度傳感器

土壤濕度傳感器如圖4 所示，該傳感器是一種專門用于測量土壤的水分和土壤濕度的裝置。它的運行原理是把兩個暴露的極板作為傳感器的探針，充當(dāng)可變電阻器。土壤中的濕度與電導(dǎo)率成正比，與板之間的電阻成反比。此外，在該模塊中還有一個電位器用于調(diào)節(jié)土壤水分。

圖4 土壤濕度傳感器

3.3 溫濕度傳感器（DHT11）

DHT11 是一款數(shù)字化、低成本的溫濕度測量傳感器，在測量濕度和空氣的溫度時使用了負溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）和一個電容式傳感器，操作裝置具有可靠性和穩(wěn)定性[9]。

3.4 水位傳感器

水位傳感器用于確定水量封閉容器內(nèi)的液體，該傳感器具有低功耗和高效率，可以用于自動化項目，兼容多種開發(fā)方式。當(dāng)傳感器投入到被測液體中特定的深度時，被測介質(zhì)的壓力進入到傳感器的正壓腔，經(jīng)過線纜導(dǎo)氣管將液體表面上的大氣壓Po與傳感器的負壓相接連,以抵消傳感器正面的大氣壓Po，使傳感器測得壓強為P=ρgh，通過測出的壓強P就可以獲得液位深度。

傳感器的輸出是模擬輸出，因此，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器發(fā)送信息到電路板。圖5 為傳感器的運行流程與Raspberry PI 板的連接方式。

圖5 傳感器與Raspberry PI的連接方式

4 軟件開發(fā)

數(shù)據(jù)采集和處理采用Python編程語言。MQTT協(xié)議申請了數(shù)據(jù)傳輸，因為Python 可以非常簡便地訪問到數(shù)據(jù)庫，并且操作簡單、運算迅速、易于實現(xiàn)[10]。MQTT是一個開源協(xié)議，它使用發(fā)布/訂閱架構(gòu)，該協(xié)議簡潔、精巧、可擴展性強、更省電。該協(xié)議可以作為樹結(jié)構(gòu)。通過代理發(fā)送的確認(rèn)消息進行驗證并連接，MQTT客戶端會定期進行通知以表明客戶仍處于連接狀態(tài)[11]。代理可以接收來自任何一個運行的傳感器，溝通服務(wù)器客戶端和用戶之間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 MQTT溝通服務(wù)器客戶端和用戶之間的關(guān)系

為了實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的檢索，設(shè)計了開發(fā)流程，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(My SQL)并使用Grafana 工具查看它們的存在狀態(tài)。

將從傳感器獲取的數(shù)據(jù)顯示在Grafana 數(shù)據(jù)庫中，可以在數(shù)據(jù)庫中查看和解釋數(shù)據(jù)。Grafana 是一個數(shù)據(jù)可視化的開源平臺，擁有監(jiān)控和分析功能，允許用戶生成帶有面板的儀表板，每個面板都象征著特定的指標(biāo)設(shè)定的時間框架[12]。

Android應(yīng)用程序的目的是實時顯示測量參數(shù)并設(shè)置數(shù)據(jù)。用戶界面有四個指標(biāo)：溫度、空氣濕度、土壤濕度和壓強。該應(yīng)用程序兼容所有Android設(shè)備。

在Raspberry PI 板和其他組件上需要大量的電線，這也導(dǎo)致電路性能下降的原因。為了提高性能并為項目提供額外的流動性，需要制作印刷電路板。

5 嵌入式農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀

在智慧農(nóng)業(yè)項目中，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。在所有遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，尤其是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開發(fā)了一種智能灌溉和溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)，其操作性強且成本低，并且可以在任何規(guī)模上實施解決方案。即傳感器測量值在參數(shù)正常范圍內(nèi)，或者當(dāng)超出參數(shù)時，系統(tǒng)會啟動灌溉功能，即系統(tǒng)成功工作，物聯(lián)網(wǎng)提供了一個靈活而精確的環(huán)境維護形式。用戶能夠通過Android 應(yīng)用程序來監(jiān)督數(shù)據(jù)是否正常工作，還能夠獲取來自溫室的參數(shù)值并提供推薦數(shù)據(jù)，以控制組件。隨著工作的進行傳感器的數(shù)量將增加，最終成為一種機器學(xué)習(xí)算法，能夠為作物灌溉提供精準(zhǔn)且持續(xù)的時間。

LabVIEW 是一種應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境，起初是為測試、測量而開發(fā)的工具，因此，測試、測量也是LabVIEW 最普遍的應(yīng)用領(lǐng)域。歷經(jīng)長期的發(fā)展，LabVIEW 在測試、測量領(lǐng)域被廣泛認(rèn)同[13]。迄今，大多數(shù)市場主流的測試儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都采用了專門的LabVIEW 驅(qū)動程序，利用LabVIEW 既能快捷的控制諸如此類硬件設(shè)備，同時，客戶也可以特別方便地獲得測試出來的LabVIEW 工具包[14]。其他計算機語言都是選用源于文本的語言形成代碼，而LabVIEW 采用圖形化編譯語言G 來編寫程序，形成的程序是框架圖的形式,沒有文本性的代碼[15]。利用LabVIEW 的模塊實現(xiàn)了關(guān)于數(shù)據(jù)如何在程序中流動的圖解，如電機控制、溫度控制、濕度控制和土壤模擬了化學(xué)成分的混合比例，在互聯(lián)網(wǎng)上可用于設(shè)計用戶服務(wù)器及管理數(shù)據(jù)庫。用戶交互式Web 模塊共有五個頁面：主頁、密碼認(rèn)證頁、用戶頁、忘記密碼并驗證登錄頁，以及一個發(fā)送反饋頁，其中，農(nóng)場使用LabVIEW 對參數(shù)進行模擬后顯示用戶頁面的模塊，用戶通過該模塊可以實時查看更新狀態(tài)。

6 監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點與不足

該平臺采用板塊間聯(lián)網(wǎng)，具有容易使用、模塊能耗低、不需硬布線、操作簡單、便于參數(shù)監(jiān)控等優(yōu)勢，適用于參數(shù)流量小、整體預(yù)算較低的農(nóng)業(yè)大棚智能化改造項目。同時對程序進行了大量改進，采用當(dāng)下流行的程序進行技術(shù)開發(fā)，由此傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)也能利用主流的互聯(lián)網(wǎng)程序技術(shù)，可是目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中有很多缺點：運用的范疇還不夠廣；利用的效率不高，也從側(cè)面反應(yīng)出了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中的運用需要進一步進行改進；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相較于有線節(jié)點愈加容易發(fā)生數(shù)據(jù)丟幀的情況，因此偶爾不能獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息；在距離較遠時，低功耗ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點組網(wǎng)比較困難[16]；整體系統(tǒng)中并未采用硬件節(jié)點安全策略，可能會發(fā)生外來硬件節(jié)點入侵網(wǎng)絡(luò)的情況。

7 結(jié)論

農(nóng)場參數(shù)如溫度、濕度和生長能力已經(jīng)被收集并錄入數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)值被用于虛擬儀器仿真，表明農(nóng)場中的傳感器可以有效減少農(nóng)業(yè)勞動，同時提高農(nóng)作物產(chǎn)量，筆者制作了一個用戶互動網(wǎng)頁用戶遠程監(jiān)控農(nóng)場，并通過互聯(lián)網(wǎng)進行控制。用戶的操作會根據(jù)大數(shù)據(jù)的分析來獲得推薦參數(shù)設(shè)置,從而增加了國家的生產(chǎn)力，并且用戶之間的相互作用使用類似社交網(wǎng)絡(luò)的界面，有助于給沒有經(jīng)驗的用戶提供有用的建議，在方便用戶工作的同時，也能為祖國增加資源產(chǎn)出，以減輕人口負擔(dān)。