基于樹莓派驅(qū)動的物聯(lián)網(wǎng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞：樹莓派；智能灌溉；物聯(lián)網(wǎng)

1 研究目的和意義

農(nóng)作物生產(chǎn)種植是我國重要的經(jīng)濟活動之一。農(nóng)作物的生長離不開水資源。然而，目前我國水資源存在分布不均、利用不充分的問題。在北方地區(qū)，水資源不充足、不均衡的情況尤為明顯。另外，由于我國處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，受季風(fēng)影響，整體存在夏季雨水多，冬季雨水少的問題。在農(nóng)田灌溉領(lǐng)域，以漫灌等地面灌溉方式為主，這在一定程度上造成了水資源的浪費。我國人均淡水量水平不足世界人均淡水量的四分之一[1]，因此，大力發(fā)展較為精準(zhǔn)的灌溉技術(shù)是至關(guān)重要的。據(jù)不完全統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)用水在運輸過程中會出現(xiàn)不同程度的流失，如漫灌、滴灌等方式在田壟間滲透等，約60%的水資源沒有直接作用于農(nóng)作物[2]。因此，能利用現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)設(shè)計并實現(xiàn)一款智能灌溉系統(tǒng)，對提高水資源的灌溉利用率具有重要意義。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著科技的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日益成熟。通過采用傳感器、智能化應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)、智能終端等技術(shù)的協(xié)調(diào)高效利用，可以實現(xiàn)24小時全方位的監(jiān)測和管理。采用基于LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)距離低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)形式進行部署，在農(nóng)業(yè)覆蓋區(qū)域，通過無線傳感節(jié)點實時采集農(nóng)作物需水量等信息，并通過LTE網(wǎng)絡(luò)等將采集信息傳送至手機或電腦端，從而進行有效的數(shù)據(jù)處理，進而調(diào)整灌溉策略[3]。此外，對等節(jié)點形式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟部梢愿鶕?jù)需求進行調(diào)整，部署靈活[4]。

以單片機等為主控單元的智能節(jié)約型灌溉技術(shù)不斷發(fā)展，如采用ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合的智慧果園灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)的低功耗、高可靠性的優(yōu)勢，且可部署節(jié)點數(shù)多，通過GPRS 技術(shù)將農(nóng)田的信息，如土壤濕度、室溫等參數(shù)以短信方式告知農(nóng)田管理者，以便根據(jù)農(nóng)作物生長環(huán)境決定灌溉方式[5]。另外，采用GPS和GPRS相結(jié)合的低成本灌溉系統(tǒng)也逐步推廣，通過GPS定位技術(shù)精準(zhǔn)采集位置信息，利用GPRS技術(shù)遠(yuǎn)程回傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)基于位置的較為精準(zhǔn)的灌溉[6]。經(jīng)過考察論證，本系統(tǒng)借鑒了雨鳥公司的1Q-Cloud產(chǎn)品開發(fā)模型，利用樹莓派易于操作控制的優(yōu)點，結(jié)合傳感器設(shè)備完成數(shù)據(jù)采集，通過開發(fā)實現(xiàn)Web程序和可視化編程，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制灌溉。

3 關(guān)鍵技術(shù)介紹

3.1 樹莓派

樹莓派4B是一款基于ARM處理器的微型電腦主板，以SD卡為存儲單元，主板周圍有多個USB接口和一個以太網(wǎng)接口，可用于連接鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)和網(wǎng)絡(luò)。同時，它還具有HDMI高清視頻輸出接口。樹莓派開發(fā)板上可部署Linux操作系統(tǒng)，可基于Python程序設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)，支持調(diào)用強大的第三方庫，如opencv、pigpio等，應(yīng)用性強，穩(wěn)定性好[7]。

3.2 3D 打印

3D打印技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，適用于定制化產(chǎn)品的實現(xiàn)。它可以分為直接打印和間接打印兩種。直接打印是先繪制出產(chǎn)品圖紙后形成三維模型，利用3D打印機直接打印出符合要求的產(chǎn)品。間接打印則是利用3D打印機打印出蠟或者硅溶膠模型后，用失蠟法完成產(chǎn)品的鑄造。為了增強接口之間的適配性，本設(shè)計中的水管接頭、閥門適配器等采用直接打印技術(shù)實現(xiàn)。

3.3 MQTT 通信協(xié)議

MQTT通信協(xié)議是一種消息隊列協(xié)議，由IBM開發(fā)，是一種在硬件性能較差或者網(wǎng)絡(luò)情況較差的情況下使用的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。它具有輕量、簡單、易于實現(xiàn)的特點。MQTT協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)鏈接，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕覀鬏敂?shù)據(jù)量小。該協(xié)議支持幾乎所有平臺，幾乎可以將所有物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和外部進行連接，被廣泛應(yīng)用于傳感器和制動器。目前，華為、百度、阿里、中國移動等搭建的物聯(lián)網(wǎng)平臺中已對此協(xié)議進行了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計采用此協(xié)議搭建一個基于Web的通信平臺，用于完成網(wǎng)絡(luò)通信。

4 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用樹莓派4B作為主控模塊。主控模塊與空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度等單元相連接，可動態(tài)實時采集農(nóng)田參數(shù)。為實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)將這些參數(shù)通過MQTT通信協(xié)議發(fā)送給Node-RED物聯(lián)網(wǎng)編程工具平臺。同樣，來自平臺的控制信息也通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和MQTT通信協(xié)議發(fā)送給樹莓派節(jié)點，節(jié)點接收到指令后控制電磁閥，驅(qū)動水泵完成灌溉操作。為了更好地適配水泵，保證接口不漏水，對于接口閥等部分適配部件采用3D打印技術(shù)進行定制化設(shè)計打印。

本系統(tǒng)硬件部分由樹莓派4B作為中央處理單元進行處理和控制。如圖1所示，將空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器和光照強度傳感器與樹莓派4B的GPIO口相連接，通過繼電器模塊驅(qū)動水泵完成灌溉操作。

為方便遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，系統(tǒng)基于MQTT通信協(xié)議搭建基于Web的通信平臺。平臺采用可視化工具Node-RED進行開發(fā)。Node-RED 是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的一個編程工具，可簡化代碼塊的連接[8]。No?deRED基于Python 語言進行開發(fā)。通過可視化編程方法，能將預(yù)定義的代碼塊連接起來執(zhí)行。該工具可以較好地兼容樹莓派的GPIO口，可以解析GPIO引腳數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)創(chuàng)建動作。也可以根據(jù)事件使Node-RED與GPIO引腳交互。本系統(tǒng)基于此工具實現(xiàn)對農(nóng)田信息的實時監(jiān)測展示。Node-RED安裝部署環(huán)境如圖2所示，通過執(zhí)行“sudo npm install –g nodered”指令，在樹莓派Linux 系統(tǒng)中安裝Node-RED 工具。

為更好地適配系統(tǒng)，利用Creality Ender打印出水管接頭、噴嘴適配器、水管塞子、鉤子、傳感器底座、閥門適配器、電線蓋子等物件。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 樹莓派4B 系統(tǒng)的燒錄和配置

系統(tǒng)選用Desktop and Recommended Software 版本的鏡像文件，采用Win32 Disk Imager 工具進行解壓，將解壓出的樹莓派系統(tǒng)鏡像文件寫入Micro SD 卡。把Micro SD卡插到對應(yīng)卡槽中，當(dāng)樹莓派主板上紅色電源指示燈亮起，綠色指示燈間歇閃爍時，說明系統(tǒng)已經(jīng)開始啟動。連接外置屏幕，通過顯示路由器管理頁面找到給樹莓派開發(fā)板分配的IP地址，保證電腦與其在同一網(wǎng)段，然后用SSH工具遠(yuǎn)程連接到樹莓派進行配置。

5.2 MQTT 服務(wù)器實現(xiàn)

系統(tǒng)采用開源的輕量級 mosquitto 開源項目對MQTT 組件進行搭建。通過使用sudo apt-get installlibssl-dev等指令下載需要的依賴包并進行安裝，通過 wget http：//mosquitto.org/files/source/mosquitto-1.6.9.tar.gz等命令獲取下載mosquitto并進行解壓。之后，mosquitto會以默認(rèn)的參數(shù)進行啟動。通過修改mos?quitto.conf配置文件，可以配置修改相應(yīng)的參數(shù)進行定制化使用。通過安裝xrdp工具可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程桌面管理，其中調(diào)用登錄界面如圖3所示。

5.3 Node- RED 物聯(lián)網(wǎng)編程

啟動Node-RED服務(wù)，檢查Node-RED服務(wù)的狀態(tài)。若要在樹莓派4B上使用NodeRED，需要先安裝Node.js環(huán)境[9]。啟動NodeRED后，可通過http：//local?host：1880進入NodeRED編輯頁面。

搭建好MQTT服務(wù)器后，可以進行Node-RED物聯(lián)網(wǎng)編程工具的測試[6]。輸入ifconfig命令，查看樹莓派4B的IP地址，樹莓派4B啟動Node-RED后，可以使用瀏覽器，根據(jù)IP地址打開Node-RED，成功連接后，表示可以正常使用。

如圖4所示，通過左側(cè)面板inject和debug選項進行連線，通過編輯inject node輸入數(shù)值，并設(shè)定是否需要重復(fù)發(fā)送信息。debug node會將流入此點的對象信息通過debug字段顯示出來，用于檢視是否符合預(yù)期效果。

5.4 硬件連接

將模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的VCC引腳與樹莓派的GPIO1 口連接，GND引腳與GPIO4連接，SDA與SCL分別為I2C通信協(xié)議的數(shù)據(jù)線與時鐘線，分別連接到樹莓派4B的GPIO3口和GPIO5口；電容型土壤濕度傳感器因輸出信號為模擬信號，須與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的A0口連接才能使用；溫濕度傳感器的DATA引腳和GPIO7口連接。由于光照傳感器需要采用I2C通信協(xié)議，需要與樹莓派4B 的GPIO3 和GPIO5 引腳擴展口進行連接。

5.5 控制臺實現(xiàn)

對SSH遠(yuǎn)程連接進行相關(guān)設(shè)置，通過IP 地址和賬號密碼進行登錄，將PC端和樹莓派接入同一網(wǎng)絡(luò)，在PC端安裝MobaXterm軟件后，與樹莓派進行SSH遠(yuǎn)程連接，編譯主程序并運行。在瀏覽器端打開Node-RED物聯(lián)網(wǎng)編程工具，根據(jù)樹莓派的IP地址，即可查看各個傳感器采集的實時信息，以數(shù)值的形式進行展示。系統(tǒng)操作人員可以根據(jù)數(shù)值的情況通過控制繼電器控制水泵的開閉，從而達到根據(jù)條件進行灌溉的情況。

6 結(jié)束語

本設(shè)計基于樹莓派驅(qū)動，設(shè)計并實現(xiàn)了一款物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)，利用樹莓派作為主控，通過傳感器節(jié)點實時采集田間數(shù)據(jù)，建立植物生長狀況數(shù)據(jù)庫，根據(jù)變化采用滴灌和控水，也可自行定期設(shè)定澆水。通過采用MQTT協(xié)議，基于Node-RED平臺設(shè)計開發(fā)實現(xiàn)Web控制系統(tǒng)，可以利用電腦或手機終端實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過智能控制，可使農(nóng)作物處于有利生長狀態(tài)，有利于實現(xiàn)智能化、農(nóng)業(yè)。系統(tǒng)可以進一步進行擴充實現(xiàn)，如可經(jīng)過操作人員進行數(shù)值判斷從而控制水泵開閉，可以通過設(shè)置采集參數(shù)閾值，自動控制水泵。