基于Raspberry Pi開發(fā)板的智能通風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧梟宇，安鵬芳，張勇

（四川科技職業(yè)學(xué)院，成都 620500）

隨著中國(guó)制造2025的到來(lái)，水泵、氣象臺(tái)和遮陽(yáng)板等設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，朝著設(shè)備融合、萬(wàn)物互聯(lián)發(fā)展，使數(shù)據(jù)的采集和傳輸更加方便、快捷。常見的通風(fēng)系統(tǒng)智能化程度不能滿足人們的生活需要，操控性和易學(xué)習(xí)性也較高，受限于其設(shè)備性能、技術(shù)等問題，成本往往并不理想，而智能通風(fēng)系統(tǒng)則在其他通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。采用樹莓派作為核心控制端，傳感器用作采集單元獲取各種信息，運(yùn)用通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)向云平臺(tái)（Web端）發(fā)送數(shù)據(jù)。根據(jù)大棚溫濕度實(shí)時(shí)情況，控制通風(fēng)裝置完成室內(nèi)調(diào)節(jié)［1］。當(dāng)突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，如發(fā)生火災(zāi)或者夜間有人闖入等，系統(tǒng)做出反應(yīng)并自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，是系統(tǒng)智能化的體現(xiàn)，還具有成本低、功耗低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠改善傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的高延遲、智能程度較低等缺點(diǎn)，提高安全性、方便性等。溫室大棚需長(zhǎng)期處于密閉性空間，如不能保證環(huán)境的安全和適宜，會(huì)導(dǎo)致蔬菜水果減產(chǎn)、口感不好和營(yíng)養(yǎng)缺失等問題而造成資源浪費(fèi)、財(cái)產(chǎn)損失［2］。如果不能很好地解決封閉空間內(nèi)的通風(fēng)不良而影響生產(chǎn)消費(fèi)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生很大影響?；谝陨蠁栴}，提出了基于樹莓派的智能通風(fēng)系統(tǒng)，控制溫室大棚的最佳理想狀態(tài)，使溫室大棚內(nèi)的多種環(huán)境因子達(dá)到平衡［3］。

傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易出錯(cuò)誤從而導(dǎo)致故障率上升；采用復(fù)雜的傳感器會(huì)提高整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)造價(jià)，造價(jià)高但設(shè)備的易用性不高，導(dǎo)致系統(tǒng)性價(jià)比降低。本研究基于樹莓派的智能通風(fēng)系統(tǒng)，從提升設(shè)備的可靠性和易用性及降低成本等方面分析通風(fēng)系統(tǒng)的組成與原理，當(dāng)場(chǎng)景產(chǎn)生變化時(shí)，該系統(tǒng)可根據(jù)不同場(chǎng)景選擇相對(duì)合理的系統(tǒng)通風(fēng)方案［4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 智能控制系統(tǒng)的原理

智能通風(fēng)系統(tǒng)由樹莓派、供電模塊、顯示屏、通風(fēng)裝置和夜視攝像頭等構(gòu)成，各部件連接樹莓派并完成數(shù)據(jù)的采集匯總，并運(yùn)用MQTT協(xié)議與阿里云平臺(tái)通信，通過顯示屏展現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化界面和攝像頭影像。云平臺(tái)對(duì)收集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，反饋給樹莓派使電機(jī)完成環(huán)境通風(fēng)。同時(shí)能保證大棚處于安全環(huán)境，如發(fā)生火災(zāi)時(shí)能自動(dòng)發(fā)出警告。

1.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能和需求，可選擇相應(yīng)模塊構(gòu)成系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中采用樹莓派作為核心。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)備

2.1 硬件模塊的型號(hào)選擇

設(shè)備管理就是使設(shè)備使用周期內(nèi)經(jīng)費(fèi)最合理、綜合效率最高，更安全可靠。設(shè)備選型是設(shè)備管理不可或缺的步驟，對(duì)保證設(shè)備安全、提高信息安全的監(jiān)控和防護(hù)、降低安全風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)信息安全進(jìn)行合理保障起到重要的作用。

隨著技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步及對(duì)信息安全產(chǎn)品各項(xiàng)性能要求的日益提高，各種新技術(shù)、新工藝、新觀念廣泛應(yīng)用到信息的防護(hù)中，對(duì)提高信息安全設(shè)備的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性助益良多，各種性能優(yōu)良、安全可靠的設(shè)備已逐步取代了老化、陳舊、存在安全隱患的設(shè)備。同時(shí)，隨著信息安全重要性的深入人心，信息安全設(shè)備的正確、理性選擇正在朝著健康有序的方向發(fā)展，過去片面追求短期經(jīng)濟(jì)效益的觀念正在被摒棄。

2.1.1 核心控制器的選擇樹莓派由Raspberry Pi

基金會(huì)所開發(fā)，經(jīng)歷了A型、A+型、B型、B+型、2B型、3B型、3B+型、4B型等型號(hào)。

智能通風(fēng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中采用的是Raspberry pi 4B+。SOC為Broadcom BCM2711，CPU為64位四 核1.5 GHz的ARMv8處 理 器，GPU為Broadcom VideoCore VI@500MHz，具 有802.11AC（2.4/5 GHz）藍(lán)牙5.0模塊、5.0/BLE802.11AC（2.4/5 GHz）的WiFi模塊和千兆以太網(wǎng)接口可以很便捷地與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通訊。同時(shí)還有2個(gè)USB3.0、2個(gè)USB2.0的端口和SD卡槽，雙micro HDMI，最大分辨率達(dá)到4 K、60 Hz或4 K、30 Hz的視頻輸出接口，Type C（5 V、3 A）供電，外接顯示器等使用樹莓派提供了很大的便捷性，還擁有40個(gè)通用I/O接口可以外接各種不同模塊，通過編程來(lái)運(yùn)行相應(yīng)的模塊實(shí)現(xiàn)其功能。采用散熱模塊，保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)不僅能提高效率，也能安全穩(wěn)定。系統(tǒng)核心模塊樹莓派如圖2所示。

圖2 樹莓派4B+

2.1.2 傳感器的選擇在通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)控模塊中，溫濕度傳感器是系統(tǒng)的最前端，也是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一環(huán)。目前，市場(chǎng)上空氣監(jiān)測(cè)設(shè)備采用的傳感器多為DHT11等DHT系列產(chǎn)品、HTU21D等HUT系列產(chǎn)品、SHT21等SHT系列產(chǎn)品等3種。本研究采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。采用特殊的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證設(shè)備具有更高的可靠性與穩(wěn)定性［5］。DHT11傳感器內(nèi)涵一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件。因此，該設(shè)備具有響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。DHT11與Cortex-M3之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信，僅僅需要1個(gè)I/O接口［6］。

2.2 系統(tǒng)硬件模塊電路設(shè)計(jì)

智能通風(fēng)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)目的是使系統(tǒng)達(dá)到造價(jià)低、安全環(huán)保等要求，而設(shè)計(jì)的相應(yīng)程序是為了最大程度發(fā)揮硬件模塊的潛能。系統(tǒng)需要硬件和軟件相互緊密配合，將性能發(fā)揮到極致。

2.2.1 舵機(jī)運(yùn)行原理智能通風(fēng)系統(tǒng)測(cè)試中為了模擬通風(fēng)裝置，采用的舵機(jī)是SG90，是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)通過接收PWM信號(hào)，使其進(jìn)入內(nèi)部電路產(chǎn)生一個(gè)偏置電壓，觸發(fā)電機(jī)通過減速齒輪帶動(dòng)電位器移動(dòng)，使電壓差為零時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，從而達(dá)到伺服的效果。即給舵機(jī)一個(gè)指定的PWM信號(hào)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到指定角度［7］。舵機(jī)的控制需要一個(gè)20 ms的時(shí)基脈沖，控制高電平時(shí)間為0.5～2.5 ms范圍內(nèi)即可控制舵機(jī)在0～180°轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.2 火焰?zhèn)鞲衅黩?qū)動(dòng)原理火焰?zhèn)鞲衅饔筛鞣N燃燒生成物、中間物、高溫氣體、碳?xì)湮镔|(zhì)以及無(wú)機(jī)物質(zhì)為主體的高溫固體微粒所構(gòu)成。火焰的熱輻射具有離散光譜的氣體輻射和連續(xù)光譜的固體輻射［8］。不同燃燒物的火焰輻射強(qiáng)度、波長(zhǎng)分布有所差異，其對(duì)應(yīng)火焰溫度的近紅外波長(zhǎng)光域及紫外光光域具有很大的輻射強(qiáng)度，火焰?zhèn)鞲衅饔纱颂匦运瞥伞＿h(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y(cè)到波長(zhǎng)在700～1 000 nm范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為60°，其中紅外光波長(zhǎng)在880 nm附近時(shí)，傳感器靈敏度達(dá)到峰值。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器2種類型，該系統(tǒng)采用電磁式的有源蜂鳴器［9］。部分代碼如下：

3 系統(tǒng)軟件模塊

3.1 各傳感器采集的程序設(shè)計(jì)

首先通過調(diào)取相應(yīng)的針角，獲得由傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)；再將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和匯總，分析數(shù)據(jù)的可行性；然后將數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送給云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化處理和分析；接著由云平臺(tái)處理后發(fā)送相應(yīng)的反饋數(shù)據(jù)給樹莓派；最后樹莓派將根據(jù)數(shù)據(jù)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)并打開通風(fēng)裝置。

w1-gpio是單總線的I/O操作模塊，用于模擬單總線時(shí)序；w1_therm是DS18B20的內(nèi)部操作模塊（讀寫寄存器），和I/O時(shí)序無(wú)關(guān)；cat w1_therm獲取反饋溫度，將其除以1 000換算成攝氏度。SG90調(diào)用RPI.GPIO庫(kù)，使用atexit.register（GPIO.cleanup），讓舵機(jī)分別能向上轉(zhuǎn)動(dòng)和向下轉(zhuǎn)動(dòng)以便模擬開關(guān)電機(jī)控制通風(fēng)系統(tǒng)［10］。

3.2 云平臺(tái)的選擇

常見的云平臺(tái)有騰訊云、阿里云、華為云、百度云和小鳥云等。本研究采用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)［11］，給設(shè)備提供穩(wěn)定可靠的通信能力，更加方便地支持設(shè)備采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在云端，同時(shí)也提供了API，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持通過服務(wù)端訂閱、云產(chǎn)品流轉(zhuǎn)、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、廣播通信、RRPC通信等方式，通過配置規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、服務(wù)器、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間通信消息的同步、轉(zhuǎn)化、過濾、存儲(chǔ)等功能，更好地提供功能豐富的設(shè)備管理服務(wù)，包括生命周期、設(shè)備分發(fā)、設(shè)備分組、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)支持OTA升級(jí)、在線調(diào)試、日志服務(wù)、遠(yuǎn)程配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能［12］。數(shù)據(jù)分析是阿里云為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者提供的數(shù)據(jù)智能分析服務(wù)，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提供海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)備份、資產(chǎn)管理、報(bào)表分析和數(shù)據(jù)服務(wù)等能力，幫助用戶更容易地挖掘物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中的價(jià)值。

3.3 云平臺(tái)的通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上選擇設(shè)備快速接入，通過注冊(cè)設(shè)備、選擇開發(fā)包、SDK下載和配置與測(cè)試4個(gè)步驟進(jìn)行連接。因?yàn)殚_發(fā)設(shè)備是樹莓派，所以選擇設(shè)備平臺(tái)是Linux，選擇的協(xié)議是MQTT。設(shè)備開發(fā)工具有3種選擇：node.js、Java、嵌入式c，本研究選擇的是node.js［13］。

根據(jù)paho.mqtt.client庫(kù)所提供功能，將三元組，即productKey、deviceName和deviceSecret統(tǒng)一打包放在一起，HOST=options［‘productKey’］+‘.iot-asmqtt.’+options［‘regionId’］+‘.aliyuncs.com’，PORT=1883，PUB_TOPIC=“/sys/”+options［‘productKey’］+“/”+options［‘deviceName’］+“/thing/event/property/post”。根據(jù)以上代碼讓樹莓派通過Broker Port 1883通信端口發(fā)送報(bào)文給阿里云平臺(tái)進(jìn)行連接。通過client.publish（PUB_TOPIC，payload=str（payload_json），qos=1）將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)每隔1 s發(fā)送給云平臺(tái)。

4 攝像頭模塊

接入后開啟Camera，使用raspistill和raspivid獲取靜態(tài)圖片和視頻信息，保證攝像頭能正常運(yùn)行。使用Javascript設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)并生成M3U播放列表并將其配置導(dǎo)入樹莓派，下載libjpeg8-dev支持庫(kù)和cmake編譯工具，對(duì)mjpg-streamer-experimental文件編譯。使用（./mjpg_streamer-i“./input_raspicam.so-w 320-h 240-fps 10”-o“./output_http.so-w./www”）命令啟用攝像頭。于樹莓派同一局域網(wǎng)的設(shè)備上通過http：//（樹莓派IP）：8080/？action=snapshot訪問達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的（圖3）。

圖3 樹莓派4B+

5 智能通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)試

智能通風(fēng)系統(tǒng)需要各模塊的相互協(xié)同。該系統(tǒng)整體實(shí)物如圖4所示。

圖4 硬件模塊的整體實(shí)物

實(shí)現(xiàn)設(shè)備上云，數(shù)據(jù)上報(bào)后就可以通過IoT Studio模塊中可視化界面展示其數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)展示

在阿里云平臺(tái)的業(yè)務(wù)邏輯模塊中，建立數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，按照格式提供數(shù)據(jù)分析后，將其信息發(fā)送給樹莓派并讓其調(diào)用I/O接口控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，做到實(shí)時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，控制室內(nèi)溫濕度等［14］。

利用云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，采用樹莓派為核心實(shí)現(xiàn)功能調(diào)用及與阿里云平臺(tái)進(jìn)行通信，硬件部分利用了較成熟的硬件模塊搭建，把設(shè)計(jì)的重心放在軟件模塊上，首先考慮到了溫濕度的收集性和數(shù)據(jù)的分析作用，將樹莓派上的算法程序運(yùn)行到阿里云平臺(tái)上，使其更加的穩(wěn)定和高效，基本達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高效性和實(shí)時(shí)性。

6 結(jié)論與展望

智能通風(fēng)系統(tǒng)在傳統(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，從被動(dòng)管理轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^控制。溫室大棚在沒有管理人員的情況下按照預(yù)定的工作模式自動(dòng)控制電機(jī)、自主啟動(dòng)和停止照明等達(dá)到節(jié)能效果。溫室大棚內(nèi)部及周邊環(huán)境能得到實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯著提高通風(fēng)系統(tǒng)的科學(xué)性和安全性。通過多次系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試，表明該系統(tǒng)的智能控制功能基本滿足設(shè)計(jì)要求。支持智能動(dòng)態(tài)鏡面顯示，大氣美觀，技術(shù)感十足；支持動(dòng)態(tài)顯示日期、時(shí)間、溫度和監(jiān)控畫面等交互式界面功能豐富，并且支持用戶DIY。該系統(tǒng)的開發(fā)對(duì)封閉性環(huán)境的智能通風(fēng)檢測(cè)系統(tǒng)的后續(xù)研究具有重要的理論和實(shí)踐參考價(jià)值［15］。

該系統(tǒng)可以與溫室大棚中黃瓜病斑識(shí)別系統(tǒng)［16］和交互式綠植養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［17］進(jìn)行配合使用，可觀察優(yōu)質(zhì)的蔬菜水果成長(zhǎng)需要怎樣的環(huán)境條件，如大棚中的CO2含量、溫度、濕度等。采用OpenCV［18］及其Python接口完成算法移植和軟件系統(tǒng)搭建使其完成運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)［19］，工作者在大棚摔倒或者受傷時(shí)能及時(shí)發(fā)出警報(bào)，保證大棚內(nèi)工作者的安全。運(yùn)用人臉識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大棚內(nèi)人員的進(jìn)出進(jìn)行記錄和監(jiān)督。采用Python通過Numpy對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以多維數(shù)組表示圖像［20］。推進(jìn)黑燈溫室大棚”的發(fā)展，讓大棚向著智能化工廠發(fā)展。