關(guān)于樹莓派驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)滴灌系統(tǒng)的研究

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 王飛洋 張 文 劉 翀 陽泰臣

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)提出了發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的戰(zhàn)略，諸如瓜果蔬菜的澆水時(shí)間、施肥、打藥等，怎樣保持精確的濃度、如何實(shí)行按需供給等一系列作物在不同生長(zhǎng)周期曾被“模糊”處理的問題都有信息化智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)定量“精確”把關(guān)，農(nóng)民只需按個(gè)開關(guān)、做個(gè)選擇或是完全聽“指令”， 就能種好菜、養(yǎng)好花。

智能灌溉系統(tǒng)以往采用的是定時(shí)開關(guān)水閥來實(shí)現(xiàn)的，這些類型的灌溉系統(tǒng)無法對(duì)植物的生長(zhǎng)情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)也無法根據(jù)環(huán)境的變化對(duì)出水量進(jìn)行調(diào)整。雖然這些局限性在日常的家庭使用中還不太明顯，但是對(duì)于我國(guó)的12593萬公頃的農(nóng)業(yè)土地面積來說，如果不對(duì)灌溉進(jìn)行更嚴(yán)密的控制勢(shì)必會(huì)造成資源緊缺和消耗過大的問題，甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)量下降的風(fēng)險(xiǎn)，給我國(guó)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來不可挽回的損失。

基于以上問題，本項(xiàng)目便是基于樹莓派驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)滴灌系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)基礎(chǔ)上加入了手機(jī)端控制和各種實(shí)時(shí)檢測(cè)植物信息的模塊，利用物聯(lián)網(wǎng)來監(jiān)測(cè)和維護(hù)植物的正常生長(zhǎng)，使用現(xiàn)有的工具將傳感器與植物相結(jié)合，監(jiān)測(cè)植物的實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)上傳的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的操作。本項(xiàng)目采用的是滴灌的澆灌方式，這種澆灌方式相對(duì)于以往的淹灌、漫灌來說，大大減少了用水量，從而避免了資源消耗過大的問題。

1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目是可以在模擬的農(nóng)田場(chǎng)景中利用實(shí)時(shí)監(jiān)控觀察植物的生長(zhǎng)情況和土壤的狀況并配合其他模塊，從而保證使用最少的水資源完成最大程度的灌溉。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于土壤狀況、溫濕度以及光照信息的采集，利用滴灌的方式對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉；在家庭中也可以利用這個(gè)灌溉系統(tǒng)，通過模塊采集數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到手機(jī)端，可以保證即使離家也可以對(duì)于植物和土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并進(jìn)行及時(shí)的澆水。

該控制系統(tǒng)最重要的功能是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)土壤狀況和植物狀況從而實(shí)現(xiàn)調(diào)整出水時(shí)間。本項(xiàng)目通過樹莓派將各種模塊的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳給手機(jī)端，分析采集到的數(shù)據(jù)，手機(jī)端發(fā)送命令，達(dá)成灌溉的目的。為達(dá)成此目的，此項(xiàng)目將樹莓派與云端相結(jié)合；這不僅方便了此系統(tǒng)的推廣，更讓灌溉變得簡(jiǎn)潔化、明了化；同時(shí)，在手機(jī)端操控還可以對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，解決了人必須在農(nóng)田上選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)進(jìn)行灌溉的問題（系統(tǒng)框圖如圖1所示）。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在本項(xiàng)目中，為了實(shí)現(xiàn)基于樹莓派的智能澆灌系統(tǒng)，在硬件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上不能像傳統(tǒng)的自動(dòng)澆水裝置一樣；為了可以采集土壤的實(shí)時(shí)情況，必須將各類傳感器與樹莓派相連；同時(shí)，還必須保證硬件外部有保護(hù)殼，不然在滴灌時(shí)有可能影響整個(gè)硬件系統(tǒng)的工作，所以本項(xiàng)目將樹莓派以及電源模塊放置在木盒中，防止其因不慎接觸到水而導(dǎo)致的無必要的損傷，同時(shí)將各個(gè)傳感器放置出來以便采集數(shù)據(jù)及時(shí)傳給樹莓派。

2.2 控制系統(tǒng)電路合理性和穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目中由于要實(shí)現(xiàn)的功能較多，必須使用到很多模塊，在不同模塊的使用上用到了不同的通訊協(xié)議，所以在電路設(shè)計(jì)上要根據(jù)不同I/O口所具有的硬件資源將不同模塊接在合適的I/O口上，以實(shí)現(xiàn)硬件資源的合理使用。

該項(xiàng)目中會(huì)使用到多種電壓，其中電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要的電壓最高——12V左右，所以使用12V的電池作為總的電源輸入，并直接用電源電壓對(duì)12V電磁閥進(jìn)行供電，對(duì)樹莓派的供電需要5V的電壓，所以需要在電路中加入穩(wěn)壓模塊。

圖2 程序執(zhí)行流程圖

3 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目是基于樹莓派為控制核心的灌溉系統(tǒng)，所以我們選用大家都比較熟悉的C語言編程，樹莓派可以直接編寫代碼，不用基于各種編程軟件進(jìn)行編寫，相對(duì)于其他設(shè)備來說較為簡(jiǎn)單；同時(shí)，樹莓派連接云平臺(tái)較為方便。本項(xiàng)目將通過云平臺(tái)將樹莓派和手機(jī)設(shè)備連接起來，同時(shí)運(yùn)用模塊化編程，這大大增強(qiáng)了代碼的可閱讀性，對(duì)于代碼的調(diào)試和模塊的監(jiān)測(cè)也比較方便。

在代碼設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，需要注意的是為了更加快捷方便實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能，不應(yīng)直接將各個(gè)模塊的代碼直接添加進(jìn)一個(gè)工程內(nèi)進(jìn)行調(diào)試，而應(yīng)該對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分別調(diào)試，在各個(gè)模塊能夠單獨(dú)實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目所需的功能后再將各個(gè)單獨(dú)的工程添加進(jìn)同一個(gè)工程中進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)模塊間的相互通信從而完成項(xiàng)目需求。程序執(zhí)行流程圖如圖2所示。

4 本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

本項(xiàng)目硬件結(jié)構(gòu)合理，方便拆卸、更換模塊，同時(shí)還可以適應(yīng)不同的環(huán)境。另外，在本項(xiàng)目上首次使用樹莓派作為主控裝置，其具備數(shù)據(jù)處理快、信息儲(chǔ)存量大、操作方便等有點(diǎn)，同時(shí)連接云平臺(tái)較為方便。手機(jī)端接收到模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，可以使用手機(jī)端遠(yuǎn)程控制開關(guān)電磁閥，這就大大減少了人工的工作量，同時(shí)還保證了灌溉時(shí)間的靈活性和水資源利用的高效性。采用滴灌的澆灌方法能做到適時(shí)地供應(yīng)作物根須所需水分，不存在外圍水的損失問題,使得水的利用效率大大提高。

5 項(xiàng)目研究中遇到的部分問題及應(yīng)對(duì)思路與措施

在項(xiàng)目研究過程中，部分成員對(duì)于樹莓派的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)不足，在程序編寫以及模塊學(xué)習(xí)上存在很大的困難。例如代碼移植整合過程中出現(xiàn)較多問題，針對(duì)這一問題，我們?cè)谡{(diào)試過程中查看樹莓派對(duì)應(yīng)官方數(shù)據(jù)手冊(cè)并結(jié)合官方對(duì)外設(shè)配置講解的書籍，從而更加深入了解調(diào)試過程。此外，對(duì)于一些配置過程復(fù)雜的模塊或外設(shè)在互聯(lián)網(wǎng)上尋找視頻教程進(jìn)行進(jìn)一步的了解，以便在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程中遇到問題可以得到較快的解決。還有就是有些成員第一次參與項(xiàng)目，會(huì)出現(xiàn)較多不利于后期聯(lián)合調(diào)試的地方，為后期項(xiàng)目的整體制作過程帶來了困擾，同時(shí)也存在知識(shí)學(xué)習(xí)不扎實(shí)的問題，導(dǎo)致前期項(xiàng)目準(zhǔn)備周期很長(zhǎng)，對(duì)此，我們小組經(jīng)常開會(huì)進(jìn)行溝通學(xué)習(xí)，以推動(dòng)項(xiàng)目順利進(jìn)行。

總結(jié)與展望：本項(xiàng)目研究的是“基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)滴灌系統(tǒng)”，主要解決的是實(shí)時(shí)返回土壤以及周邊環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)和對(duì)于灌溉時(shí)間自主控制兩各方面的問題。在實(shí)時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)這個(gè)方面必須數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，需要多次采樣和處理數(shù)據(jù)的功能，自主控制灌溉時(shí)間就是要解決PC端或者手機(jī)端和樹莓派之間可以相互通信從而順利接收樹莓派數(shù)據(jù)。當(dāng)然，還要使用其他部分的模塊從而完成項(xiàng)目所需的附加智能功能。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的“基于樹莓派的物聯(lián)網(wǎng)滴灌系統(tǒng)”具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)力和穩(wěn)定性，具有一定的使用價(jià)值，但部分功能還不太完備；同時(shí)并沒有大范圍投入使用以觀看使用效果，因此還需要進(jìn)一步研究實(shí)踐。該項(xiàng)目符合當(dāng)下“共享+”的熱潮，正應(yīng)當(dāng)下社會(huì)潮流，可以說具有不小的潛在價(jià)值。