薛 亮,鐘 麟,劉小韜,王建鋒

(西京學(xué)院 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710123)

0 引言

有研究表明,在家庭中種植花草,可以幫助人們緩解壓力、調(diào)節(jié)情緒。 但現(xiàn)代人用來呵護(hù)家庭綠植的時(shí)間少之又少。 而近年來,人工智能逐漸被人們所熟知,也已經(jīng)滲透到了各個(gè)領(lǐng)域,包括花草種植行業(yè),傳統(tǒng)的養(yǎng)花方式也逐漸被智能養(yǎng)花方式所替代。 因此,人工智能可以滿足人們對(duì)省時(shí)省力地種植花草的需求,實(shí)現(xiàn)種植過程智能化。 本設(shè)計(jì)讓每天忙于工作的上班族也能給家庭中的花花草草營造一個(gè)舒適的環(huán)境。

本設(shè)計(jì)將一塊樹莓派4 代開發(fā)板作為核心控制器。 當(dāng)植物所處的環(huán)境溫濕度超出該種植物的最佳溫度區(qū)間時(shí),手機(jī)App 端會(huì)警告,進(jìn)而可以進(jìn)行相關(guān)的自動(dòng)控制操作,比如開啟補(bǔ)光燈等。 當(dāng)植物遭受蟲害時(shí),傳統(tǒng)的處理方法是人工進(jìn)行藥劑噴灑;而此設(shè)計(jì)可以在植物受到害蟲侵?jǐn)_時(shí),通過圖像識(shí)別處理判斷害蟲種類[1],自動(dòng)使用對(duì)應(yīng)的殺蟲藥劑。 本設(shè)計(jì)也可以進(jìn)行濕度檢測(cè),當(dāng)濕度值超過適宜區(qū)間時(shí),手機(jī)端可以選擇是否下達(dá)澆水命令。 當(dāng)植物所處環(huán)境的pH 酸堿度異常時(shí),用戶可以通過手機(jī)端選擇實(shí)時(shí)噴灑對(duì)應(yīng)藥液等一系列操作。 本設(shè)計(jì)充分滿足了生活節(jié)奏快、疏于照顧家中植物的人們的需求,使得人們只需要利用日常零碎時(shí)間通過手機(jī)App 端進(jìn)行相關(guān)操作,就可以使家中植物茁壯成長(zhǎng)。

本文對(duì)基于樹莓派的智能花草監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了研究,探討了基于樹莓派的花草監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的概念、實(shí)現(xiàn)方法、通信方式對(duì)完成花草監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性和重要性。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選用樹莓派4 代B 型開發(fā)板為開發(fā)平臺(tái)。樹莓派是一款基于ARM 的微型電腦主板,除了具備計(jì)算機(jī)的基本功能外,還配備GPIO 接口。

首先在樹莓派上安裝Web 服務(wù)器軟件等,然后通過GPIO 接口外接溫度傳感器、土壤濕度傳感器、光照監(jiān)測(cè)傳感器等外圍設(shè)備,用于采集植物溫度、植物光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù),并將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。 為了實(shí)時(shí)觀察植物的情況,該系統(tǒng)還外接攝像頭,通過編寫Python 程序?qū)⒁曨l傳輸至Web 服務(wù)器,用戶可以利用手機(jī)、電腦、平板等設(shè)備通過WiFi 網(wǎng)絡(luò)連接到Web 服務(wù)器上進(jìn)行查看[2]。 該樹莓派4 代B 開發(fā)板平臺(tái)集 Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)于一體,靈活小巧,便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

基于圖像檢測(cè)的家庭花草監(jiān)護(hù)智能系統(tǒng)是通過通信技術(shù)將控制設(shè)備、溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、攝像頭圖像識(shí)別等連接在一起。 該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)功能如下:

(1)主控模塊。 控制器是系統(tǒng)的核心,不僅承擔(dān)著聯(lián)系各個(gè)模塊的作用,還與采溫濕度傳感器、攝像頭等連接,具有統(tǒng)一管理、集中處理、控制的功能。 本系統(tǒng)采用樹莓派4 代B 開發(fā)板作為整套系統(tǒng)的控制器。

(2)攝像頭模塊。 對(duì)植物病蟲害等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

(3)溫度傳感器。 對(duì)植物所處的環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)。

(4)濕度傳感器。 對(duì)植物所處的環(huán)境濕度進(jìn)行檢測(cè)。

(5)光照強(qiáng)度傳感器。 對(duì)植物所處環(huán)境的光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。

(6)水泵抽取模塊。 用于對(duì)影響植物生長(zhǎng)因素如溫濕度等相關(guān)調(diào)節(jié)。

(7)供電模塊。 對(duì)樹莓派4 代B 開發(fā)板提供5 V、1 A 的電源輸入。

1.2.1 樹莓派控制器

本文選用的樹莓派4 代B 開發(fā)板是一款提供開源軟件架構(gòu)的微型電腦主板,與樹莓派3B+相比,樹莓派4B 在處理器速度、多媒體性能、內(nèi)存和連接方面實(shí)現(xiàn)了突破性的增長(zhǎng),同時(shí)保留了向后兼容性和類似的功耗。 對(duì)用戶而言,樹莓派4B 提供的桌面性能可與入門級(jí)x86 PC 系統(tǒng)相媲美。 雖然它的尺寸只有信用卡大小,但是具有音視頻、藍(lán)牙、無線等PC 的所有功能,且功能強(qiáng)大,價(jià)格低廉,性價(jià)比極高,目前已經(jīng)被廣泛用于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。

此外,樹莓派除了具備低功耗、移動(dòng)便攜性、GPIO 等特性,其最突出的特點(diǎn)就是具有強(qiáng)大的拓展能力。 它不僅可以替代電腦進(jìn)行日?；竟ぷ?也可以作為開發(fā)者的原型機(jī)使用,極大地降低了用戶的采購成本和使用成本[3]。

近年來,隨著智能硬件概念的興起和互聯(lián)網(wǎng)+、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展,樹莓派在為不同年齡和背景的人們打開編程世界之門的同時(shí),它的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和低廉的價(jià)格也讓其成為電動(dòng)汽車、物聯(lián)網(wǎng)或自動(dòng)化流水線等應(yīng)用場(chǎng)景的理想選擇,可以滿足不同用戶的多樣化需求,未來市場(chǎng)前景廣闊。

1.2.2 溫濕度檢測(cè)模塊

溫濕度檢測(cè)模塊使用的溫濕度傳感器是DHT11傳感器。 DHT11 濕度測(cè)量范圍為20%~90%RH,測(cè)量精度為±5.0%RH。 該傳感器使用了包括采購技術(shù)在內(nèi)的新技術(shù)——數(shù)字模塊和溫度濕度傳感器技術(shù),穩(wěn)定性較好。 同時(shí),該傳感器的尺寸小,功耗很低,比較適合在各種高要求以及極端的環(huán)境內(nèi)工作。

與此同時(shí),該傳感器是4 引腳單排引腳封裝,安裝操作便捷,連接簡(jiǎn)單,且本身還具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn),單線制串行接口也使得系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷;DHT11 傳感器的超小體積、極低功耗的特性,使其信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m 以上,成為各類復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

此外,該傳感器可以產(chǎn)生比較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息,并且有著電阻式濕度感測(cè)元件和Nic 溫度測(cè)量元件,具有質(zhì)量高、速度快、抗干擾強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)。

1.2.3 光照檢測(cè)模塊

該系統(tǒng)通過外接光照檢測(cè)傳感器來判定植物所處環(huán)境的光照強(qiáng)度。 當(dāng)所處環(huán)境光照過強(qiáng)便自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)光燈;當(dāng)所處環(huán)境光照較弱時(shí)便自動(dòng)開啟補(bǔ)光燈[4]。 另外,該系統(tǒng)也可以進(jìn)行人工干預(yù)是否開啟補(bǔ)光燈。

光照檢測(cè)采用了PCF8591 器件。 PCF8591 器件具有4 個(gè)模擬輸入、1 個(gè)模擬輸出和1 個(gè)串行I2C 總線接口。 PCF8591 的3 個(gè)地址引腳A0,A1 和A2 可用于硬件地址編程,允許在同個(gè)I2C 總線上接入8 個(gè)PCF8591 器件,而無需額外的硬件。 PCF8591 上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸。

1.2.4 土壤濕度檢測(cè)模塊

土壤溫濕度影響著植物的生長(zhǎng)、發(fā)育和土壤的形成,且土壤濕度還決定了植物的水分供應(yīng)狀況。 因此,人們?cè)陴B(yǎng)護(hù)家庭植物時(shí),只有及時(shí)觀測(cè)土壤濕度參數(shù),才能讓植物更好地生長(zhǎng)。 本設(shè)計(jì)應(yīng)用電容式土壤濕度檢測(cè)傳感器模塊進(jìn)行檢測(cè)。 當(dāng)土壤濕度降低時(shí),該系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行水泵抽水或是人工干預(yù)進(jìn)行水泵抽水[5]。

與其他電阻式傳感器相比,本設(shè)計(jì)采用了新款電容式土壤濕度傳感器,利用電容感應(yīng)原理檢測(cè)土壤濕度,可以解決電阻式傳感器易被腐蝕的問題,極大地延長(zhǎng)了使用壽命。

1.2.5 酸堿值檢測(cè)模塊

家庭中花草植物所處環(huán)境較為穩(wěn)定,一般狀況下酸堿值的變化并不大,因此,引起家庭綠植酸堿值變化的主要還是對(duì)綠植的一些干預(yù)操作,尤其是施肥、噴灑營養(yǎng)液等。 本設(shè)計(jì)的酸堿值測(cè)定主要體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)營養(yǎng)液的酸堿值,并適時(shí)以水泵抽水與噴灑等相關(guān)操作來改變家庭綠植的酸堿度。

1.2.6 繼電器模塊

繼電器根據(jù)某種輸入信號(hào)的變化來接通或斷開控制電路,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和保護(hù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電器。 輸入的信號(hào)可以是電壓、電流等電量,也可以是轉(zhuǎn)速、時(shí)間、溫度和壓力等非電量。 繼電器通過接觸器或其他電器對(duì)主電路進(jìn)行控制。

當(dāng)外接的傳感器獲取數(shù)據(jù)后,樹莓派將處理這些數(shù)據(jù)并將其上傳至云服務(wù)器進(jìn)行記錄。 人們?cè)陔娔X端或手機(jī)端可以獲取這些數(shù)據(jù),同時(shí)樹莓派會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)決定是否控制繼電器進(jìn)而控制水泵澆水[6]。

本設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際,為實(shí)現(xiàn)澆水、噴灑營養(yǎng)液與農(nóng)藥等操作,采用了3 路5 V 繼電器對(duì)水泵進(jìn)行自動(dòng)控制。 該繼電器采用貼片光耦隔離,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),性能穩(wěn)定。 模塊可以通過跳線設(shè)置高水平或低水平觸發(fā)以及容錯(cuò)功能,即控制線斷開,繼電器也不會(huì)觸發(fā)動(dòng)作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件運(yùn)行環(huán)境的搭建

2.1.1 樹莓派系統(tǒng)的選擇

由于樹莓派4 代B 開發(fā)板未搭載出廠系統(tǒng),因此,首先要安裝自己需要的操作系統(tǒng),如Windows,Andriod,iOS,Linux 等。 因?yàn)長(zhǎng)inux 的開源具有內(nèi)核小、可移植的特點(diǎn),所以本設(shè)計(jì)采用Linux 作為樹莓派的操作系統(tǒng)。

2.1.2 樹莓派配置VNC

VNC 的安裝是利用SSH 連接樹莓派后直接安裝,其命令為:sudo apt-get install tightvncserver,安裝后對(duì)其進(jìn)行配置開機(jī)啟動(dòng)項(xiàng)。

2.2 軟件運(yùn)行功能

2.2.1 移動(dòng)端App

Home Assistant(HA)是一款基于Python 的智能家居開源系統(tǒng),支持眾多品牌的智能家居設(shè)備。 它可以輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備的語音控制、自動(dòng)化、群組化、UI 客制化等高度定制化設(shè)置。 Home Assistant 運(yùn)行在Python 3.5.3 及以上環(huán)境下,一般而言,符合Python運(yùn)行條件的系統(tǒng)皆可安裝Home Assistant。

電腦熱點(diǎn)可以直接看到鏈接上的設(shè)備IP,不需要使用IP 掃描器;手機(jī)熱點(diǎn)需要使用局域網(wǎng)IP 掃描器,掃描IP 地址,首先讓筆記本電腦連接熱點(diǎn),然后查看筆記本電腦IP,帶有Raspberry 字樣的就是樹莓派的IP 地址。

首先,在樹莓派官網(wǎng)下載樹莓派鏡像,之后下載鏡像燒寫工具Etcher,將TF 卡接入電腦。 其次,修改根目錄boot 下的wpa_supplicant.conf 文件,填寫無線網(wǎng)SSID 和密碼。 最后,插卡啟動(dòng)樹莓派,鏡像默認(rèn)開機(jī)聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下將自動(dòng)聯(lián)網(wǎng)下載安裝Home Assistant。安裝需要一定時(shí)間,安裝成功后Home Assistant 將自動(dòng)啟動(dòng)。 安裝成功后,用戶打開瀏覽器輸入“樹莓派IP:8123”就可以訪問Home Assistant 的前端界面了。

2.2.2 SSH 工具

Secure Shell(SSH)由 IETF 的網(wǎng)絡(luò)小組制定,為建立在應(yīng)用層基礎(chǔ)上的安全協(xié)議。 SSH 是比較可靠、專為遠(yuǎn)程登錄會(huì)話和其他網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供安全性的協(xié)議。 SSH 協(xié)議可以有效防止遠(yuǎn)程管理過程中出現(xiàn)的信息泄露問題。 SSH 最初是UNIX 系統(tǒng)上的一個(gè)程序,后來又迅速擴(kuò)展到其他操作平臺(tái)。 SSH 在正確使用時(shí)可彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)中的漏洞。 SSH 客戶端適用于多種平臺(tái),幾乎所有UNIX 平臺(tái)包括HP-UX,Linux,AIX,Solaris,Digital UNIX,Irix 等都可運(yùn)行SSH[7]。

PC 端和樹莓派的通信也可以選用SSH 的方式,只需要將樹莓派的網(wǎng)絡(luò)和PC 端的網(wǎng)絡(luò)連入同一局域網(wǎng)即可。 本次設(shè)計(jì)采用的SSH 工具是Putty,當(dāng)需要通信的時(shí)候,只需要在Putty 的登錄界面輸入樹莓派的IP 地址即可進(jìn)入,如圖1 所示。

2.2.3 云端服務(wù)器

Ubuntu 是一款基于Debian Linux 的以桌面應(yīng)用為主的操作系統(tǒng),內(nèi)容涵蓋文字處理、電子郵件、軟件開發(fā)工具和Web 服務(wù)等,可供用戶免費(fèi)下載、使用和分享。 本設(shè)計(jì)以Ubuntu 為云端服務(wù)器對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸[8]。

樹莓派聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)后,將檢測(cè)到的植物所處的環(huán)境溫濕度和環(huán)境光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)上傳至云端并形成日志,用戶可以隨時(shí)通過移動(dòng)端對(duì)日志進(jìn)行查看或分析,并通過訪問樹莓派實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面。

2.2.4 程序的編寫和配置

運(yùn)用Python 語言開發(fā)樹莓派。 研究人員在PC端安裝好Python 語言的IDLE 后,先進(jìn)行程序的編寫和編譯,當(dāng)編譯無誤生成可執(zhí)行文件后再通過Linux系統(tǒng)的指令將可執(zhí)行文件復(fù)制到樹莓派[9]。 最后再將調(diào)整各類參數(shù)的配置文件復(fù)制到樹莓派即可。 配置文件是用來修改系統(tǒng)參數(shù)的,如溫濕度最優(yōu)區(qū)間的改變就是在配置文件里修改參數(shù)即可。 通過SSH 的方式開啟樹莓派攝像頭文件的啟動(dòng)命令為:sudo motion。

3 系統(tǒng)搭建及測(cè)試

本系統(tǒng)的主體由樹莓派平臺(tái)及其外圍模塊(溫濕度傳感器、攝像頭等)組成。 系統(tǒng)以樹莓派為中心控制器,進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸,并處理各外圍模塊采集到的信息。 各外圍模塊分別進(jìn)行各類信息的檢測(cè):溫度傳感器檢測(cè)植物所處的環(huán)境溫度;濕度傳感器檢測(cè)植物所處的環(huán)境濕度;光照強(qiáng)度傳感器用來檢測(cè)植物所受到的光照強(qiáng)度;攝像頭模塊進(jìn)行識(shí)別病蟲害與實(shí)時(shí)監(jiān)控等操作。

3.1 溫濕度檢測(cè)功能測(cè)試

由于測(cè)試設(shè)置了溫濕度區(qū)間,經(jīng)測(cè)試當(dāng)實(shí)際溫濕度超出設(shè)置溫濕度區(qū)間時(shí),系統(tǒng)將操控繼電器驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行調(diào)整,也可進(jìn)行人工選擇干預(yù)。

3.2 酸堿值檢測(cè)功能測(cè)試

當(dāng)植物所處環(huán)境的酸堿值過低或過高時(shí),系統(tǒng)將自動(dòng)驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行施肥與噴水操作來調(diào)整酸堿值在合理的區(qū)間范圍內(nèi)。

3.3 光照監(jiān)測(cè)功能實(shí)測(cè)

當(dāng)周圍環(huán)境光照降低時(shí),系統(tǒng)會(huì)成功自動(dòng)觸發(fā)補(bǔ)光燈,如圖2 所示。

圖2 實(shí)測(cè)功能

3.4 害蟲圖像識(shí)別測(cè)試

系統(tǒng)使用害蟲圖片來進(jìn)行模擬圖像識(shí)別。 自動(dòng)識(shí)別到害蟲以及大致種類后,顯示系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)噴灑殺蟲劑。

3.5 云端查看歷史數(shù)據(jù)圖

系統(tǒng)將溫濕度和害蟲識(shí)別等測(cè)試數(shù)據(jù)上傳云端并保存,用戶通過PC 端或手機(jī)端查看。

4 結(jié)語

本文基于樹莓派并結(jié)合傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一款智能家庭花草養(yǎng)護(hù)系統(tǒng),該系統(tǒng)使用多種傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度、酸堿值等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,使用攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控。 該系統(tǒng)以目前物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)中比較流行的樹莓派4 代B開發(fā)板為控制核心,該樹莓派集 Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、控制系統(tǒng)于一體,便于后期的維護(hù)與管理,并且體積小,安裝簡(jiǎn)便,云服務(wù)器遠(yuǎn)程監(jiān)控。 整個(gè)系統(tǒng)使用Python 編程語言進(jìn)行編寫,使用云端服務(wù)器和App 進(jìn)行監(jiān)控提示和數(shù)據(jù)的通信,具有簡(jiǎn)單輕便的優(yōu)點(diǎn)。 整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行流暢,在家庭綠植養(yǎng)護(hù)上具有良好的實(shí)用價(jià)值。