基于Raspberry Pi的室內(nèi)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計與研究

譚 燕，秦風(fēng)元

(1.重慶三峽職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，重慶 404155;2.江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

我國為世界13大最缺水國家之一，且農(nóng)業(yè)方面的相關(guān)用水量占我國總用水量的1/2左右，而近年來電子科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷推進(jìn)了農(nóng)業(yè)工程相關(guān)領(lǐng)域智能化的更新與完善[1-3]。因此，研究智能灌溉系統(tǒng)，提高灌溉系統(tǒng)的用水效率對節(jié)約水資源具有重要的意義。

Raspberry Pi是一種基于Linux操作系統(tǒng)的微信電腦，作為開源硬件領(lǐng)域的高階硬件產(chǎn)品，其在車輛工程、農(nóng)業(yè)工程等方面有了廣泛應(yīng)用[4-6]。姬江濤等通過Raspberry Pi設(shè)計一款智能蔬菜耕作設(shè)備，其耕作的株距合格率為94.91%，誤播率為5.09%，具有良好的工作性能[7]。楊柳等將Raspberry Pi應(yīng)用于拖拉機(jī)的無人駕駛系統(tǒng)的研究中，該系統(tǒng)的響應(yīng)時間為0.3 s左右，且舵機(jī)的角度偏差為3°[8]。張世昂等通過樹莓派研究設(shè)計了一種田間農(nóng)作物的智能巡檢車，其能夠較好的完成巡檢車預(yù)期的各項巡檢要求[9]。本研究通過搭建Raspberry Pi 3b與相關(guān)傳感器的硬件系統(tǒng)，應(yīng)用pyhton語言編寫控制與后臺程序，前端界面程序采用Html5、Css以及Java Script編寫，具有跨平臺、兼容性好、界面表現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。同時采用 MySQL 對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，系統(tǒng)自身的模糊運(yùn)算控制器能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出合適的灌水量，從而使所研究設(shè)備成為一個“云”平臺，達(dá)到智能化灌溉的目的。進(jìn)而為智能灌溉設(shè)備的實現(xiàn)提供了新的思路。

1 硬件研究

從所研究灌溉系統(tǒng)的穩(wěn)定性出發(fā)，選取的硬件包括Raspberry Pi 3b(圖1)、DHT11型空氣溫濕度檢測模塊(圖2)、卡默爾微型電機(jī)蠕動泵(圖3)、L298N型電機(jī)驅(qū)動模塊(圖4)、YL-69型土壤濕度計檢測模塊以及PCF8591型A/D轉(zhuǎn)化模塊(圖5)等?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖1 樹莓派3bFig.1 Raspberry Pi 3b

圖2 空氣溫濕度檢測模塊Fig.2 Air temperature and humidity detection module

圖3微型電機(jī)蠕動泵Fig.3 Micro motor peristaltic pump

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊Fig.4 Motor drive module

圖5 土壤濕度計檢測模塊與A/D轉(zhuǎn)化模塊Fig.5 Soil hygrometer detection module and A/D conversion module

圖6 硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Hardware architecture

采用SD Formatte對樹莓派所安裝的16G內(nèi)存卡進(jìn)行格式化，將NOOBS安裝程序拷貝至內(nèi)存卡中，并使內(nèi)存卡插入樹莓派內(nèi)用NOOBS安裝本研究所需的Linux Ubuntu mate系統(tǒng)(見圖7)。安裝系統(tǒng)之后，以局域網(wǎng)作為計算機(jī)與樹莓派的連接媒介，使計算機(jī)通過putty(見圖8)對樹莓派進(jìn)行控制。

圖7 NOOBS界面Fig.7 NOOBS Interface

圖8 putty界面Fig.8 Puty Interface

2 系統(tǒng)控制程序與web設(shè)計

2.1 軟件整體設(shè)計與編程實現(xiàn)

本研究的智能灌溉系程序的編寫語言為Python3.5.2，選取Flask為Web的程序框架，選擇MySQL為數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件的整體設(shè)計如圖9所示。

圖9 軟件整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.9 Software block diagram

圖9中相關(guān)傳感器通過獲取土壤溫度、空氣溫濕度等數(shù)值，將輸入存數(shù)到數(shù)據(jù)庫中，并通過WEB將其顯示，除此之外，控制程序?qū)?shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)送入模糊算法，并將模糊算法的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。WEB程序在整個過程中即可顯示相關(guān)結(jié)果，也可對整個系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。

Raspberry Pi 3b的開發(fā)語言主要為C語言與Python語言，因若采用C語言對整個系統(tǒng)進(jìn)行編程會復(fù)雜且不便，從而加長了開發(fā)周期，故采用Python進(jìn)行開發(fā)[10-12]。選擇B/S(Browser/Server)作為程序結(jié)構(gòu)，F(xiàn)lask作為框架，采用BCM的編碼方式。打開Raspberry Pi 3b內(nèi) ootconfig.txt 文件,刪除文件內(nèi)的##并保存，之后打開打開etcmodules文件，在文件內(nèi)輸入 i2c_bcm2708和i2c-dev ，最后安裝SMBUS文件，從而來完成Raspberry Pi 3b的I2C的載入。

由于本研究中所選取土壤濕度計檢測模塊的PCF8591型A/D轉(zhuǎn)化模塊的引腳均為接地，故地址為0X48，二進(jìn)制為1001000，通過A0、A1、A2來進(jìn)行地址的修改。空氣溫濕度檢測模塊與Raspberry Pi 3b的GPIO連接，安裝Python-GPIO 模塊，從而給樹莓派傳入空氣溫度與濕度的二進(jìn)制數(shù)值。電機(jī)的驅(qū)動模塊與Raspberry Pi 3b的GPIO20與21連接，通過編程使電機(jī)可以達(dá)到正反轉(zhuǎn)以及通過PWM的大小來進(jìn)行變速工作與關(guān)閉。

2.2 模塊程序的封裝

為便于對編寫好的程序及時調(diào)用，避免重復(fù)的編程工作，對所編寫好的各模塊程序進(jìn)行封裝，類視圖如圖10所示。

圖10 類視圖Fig.10 Category view

按照圖10所示類視圖分別對通過Python編程語言對土壤濕度計檢測模塊、空氣溫濕度檢測模塊、電機(jī)的驅(qū)動模塊的程序進(jìn)行封裝。

2.3 系統(tǒng)的Web程序設(shè)計

采用Html5、Css以及Java Script對灌溉系統(tǒng)的登陸以及控制頁面進(jìn)行設(shè)計，通過對css的添加、js的引用、添加泵的控制程序、空氣溫濕度和灌溉水量等表格生成按鈕的添加等來實現(xiàn)系統(tǒng)前端的全部設(shè)計。將前文中土壤濕度計檢測模塊、空氣溫濕度檢測模塊、電機(jī)的驅(qū)動模塊的程序?qū)?，并安裝My SQL數(shù)據(jù)庫，通過Python在數(shù)據(jù)庫中建立table來對后續(xù)的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記載。對進(jìn)入相關(guān)界面的賬戶名稱與密碼進(jìn)行設(shè)置，最后對空氣的溫濕度、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速相關(guān)程序進(jìn)行設(shè)計。

3 灌溉系統(tǒng)算法的實現(xiàn)

3.1 模糊控制的實現(xiàn)

為使灌溉系統(tǒng)通過采集土壤濕度計檢測模塊與空氣溫濕度檢測模塊的數(shù)據(jù)，從而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到智能灌溉的目的，采用模糊算法作為控制系統(tǒng)的方法。

本研究采用的控制器為二維模糊控制器，測控量為土壤濕度與土壤濕度的變化，其中土壤濕度作為被控制量，詞集為：{負(fù)大，負(fù)大低，負(fù)中，負(fù)中低，負(fù)小，負(fù)小低，正零，正小低，正小,正中低，正中，正大低，正大}，濕度的誤差、誤差變化以及濕度分別為A、B、C，其模糊集全部為：{FB，F(xiàn)BL，F(xiàn)M，F(xiàn)ML，F(xiàn)S，F(xiàn)SL，0，ZSL，ZS,ZML，ZM，ZBL，ZB}，對應(yīng)的論域：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3,4，5，6}，為使系統(tǒng)盡快到達(dá)濕度設(shè)定值，建立模糊控制的規(guī)則，并對其變量進(jìn)行賦值。由公式(1)將精確數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊值。

(1)

式中：a為精確數(shù)值上限；b為精確數(shù)值上限；X為精確數(shù)值；Y為模糊值；n為模糊值上、下限值(兩者對稱)。

3.2 權(quán)值系數(shù)的研究

在對被控制量以及電機(jī)的控制進(jìn)行編程中，電機(jī)的控制需要計算其PWM值，計算流程如圖11所示。

圖11 電機(jī)PWM計算流程圖Fig.11 PWM flow chart of motor

圖11為計算電機(jī)PWM值，需將土壤、空氣的相關(guān)數(shù)值乘以權(quán)值系數(shù)。不同因素的權(quán)值系數(shù)不同，本研究采用AHP(即層次分析法)來求得各權(quán)值系數(shù)的大小。通過一致矩陣法建立判斷矩陣，以Santy法來求得矩陣內(nèi)各元素的大小，結(jié)果為：

將其列向量歸一化、行向量求和以及歸一化，分別得到：

通過Aω=λω，求得λ=3.011。通過將ω四舍五入最終得到三因素的權(quán)值系數(shù)分為：0.69、0.19、0.12。

4 試 驗

分別對系統(tǒng)進(jìn)行服務(wù)器功能測試以及種植試驗。服務(wù)器功能試驗圖如圖12所示，其數(shù)值顯示、按鈕功能等均正常，符合預(yù)期設(shè)計要求。通過試驗設(shè)備系統(tǒng)(圖13)對單顆黃瓜幼苗進(jìn)行試驗灌溉，試驗周期為90 d，黃瓜的移種、葉子的長出、開花如圖14所示(因授粉技術(shù)的限制，本實驗未結(jié)出果實)。

圖12 服務(wù)器前端功能測試圖Fig.12 Server front end function test chart

圖13 試驗設(shè)備系統(tǒng)Fig.13 Test equipment system

圖14 種植試驗Fig.14 Planting test

從圖14可以得知黃瓜幼苗到開花的生長過程良好，且通過系統(tǒng)統(tǒng)計得知，一周內(nèi)黃瓜幼苗的澆水量約為20 mL左右，低于一般的人工澆水量。驗證了采用Raspberry Pi 3b研究精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的可行性。

5 結(jié) 語

(1)采用Raspberry Pi 3b、卡默爾微型電機(jī)蠕動泵等設(shè)計了智能灌溉系統(tǒng)的硬件部分。

(2)通過Python語言對智能灌溉系統(tǒng)程序控制與顯示等部分進(jìn)行了編程。

(3)編寫模糊算法對智能灌溉系統(tǒng)的電機(jī)實現(xiàn)控制，并通過服務(wù)器功能測試以及種植試驗進(jìn)行了驗證，表明了采用Raspberry Pi 3b研究精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)的可行性。