黃金秋，魁藝于，寇耀文，高伊慧，陳 堃，劉 燕，陳興文

(大連民族大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

1 設(shè)計背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和智能終端的普及，基于萬物互聯(lián)的無人化精細管理模式正在改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式，特別是給傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式帶來了重大變革，已經(jīng)受到越來越多的農(nóng)戶關(guān)注。本設(shè)計以中小規(guī)模農(nóng)戶對農(nóng)作物灌溉的設(shè)計需求，利用WiFi無線局域網(wǎng)來構(gòu)建一個C/S架構(gòu)的智能云灌溉系統(tǒng)。其中農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)測控模塊由樹莓派嵌入式平臺實現(xiàn)，用戶手機端通過APP和WiFi“云”實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控和對灌溉設(shè)備的遠程操作[1]。這種解決方案為農(nóng)戶提供了隨時隨地遠程監(jiān)控和管理農(nóng)場，系統(tǒng)具有實現(xiàn)成本低、可擴展性強、部署方便、操作和維護簡單等特點。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本次設(shè)計的智能云灌溉系統(tǒng)主要分幾個功能模塊：樹莓派控制系統(tǒng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、灌溉控制模塊和WiFi“云”控制模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊通過與樹莓派數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)空氣的溫濕度、光照度、土壤溫濕度、土壤酸堿度、二氧化碳濃度等信息進行采集；樹莓派依據(jù)收到的采集信息，進行處理、儲存、顯示、遠程數(shù)據(jù)傳輸，及向灌溉控制模塊輸出指令。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 智能云灌溉系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖

2.1 土壤濕度檢測

土壤濕度檢測主要用來測量土壤容積含水量，將傳感頭埋在作物根部來監(jiān)測根部土壤的水分，該傳感器經(jīng)信號變換電路將采集數(shù)據(jù)傳至主控制器，由主控制器決定輸出控制。目前比較常用的有兩種原理的傳感器，分別是電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器。電阻式土壤傳感器因為其設(shè)計的原理會使長期放入土壤里的傳感腳極容易被電解和腐蝕，從而大大降低了傳感器的使用壽命和精度。在這里選用capactive soil moisture sensor系列V2.0版本的電容式土壤濕度傳感器，由于其支持3.3V～5.5V的電壓，與樹莓派的GPIO接口比較簡單。土壤傳感器模塊和樹莓派相連接的一方有四個針腳，他們分別是AO模擬信號輸出，DO數(shù)字信號輸出，GND電源負極，VCC電源正極(采用3.3V或者5V電壓)，這里我們把VCC連接到樹莓派的VCC，把GND連接到樹莓派的GND，然后再把數(shù)字信號輸出腳DO連接到樹莓派的GPIO_GEN1的GPIO18端口上。最后將傳感器模塊另一端的檢測端連接到與土壤接觸的插口上面，這樣土壤濕度檢測模塊就可以工作了。

2.2 空氣溫濕度檢測

空氣溫濕度采集使用DHT11實現(xiàn)，其內(nèi)部封裝了一個NTC(負溫度系數(shù))溫度傳感器、一個電阻型濕度傳感器和一個8位微控制器，因此在其內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。每一次采集完成后，其傳給微控制器一個 40位的數(shù)據(jù)，其中0-7 位為濕度二進制值的整數(shù)部分，8-15位是濕度二進制值的小數(shù)部分，16-23 位是溫度二進制的整數(shù)部分，24-31 位是溫度二進制的小數(shù)部分，最后 8 位是校驗位。其接口連接時，只要將DATA輸出端與樹莓派的GPIO_GEN1的GPIO4連接，VCC與GND與樹莓派對應(yīng)即可，具體連接如圖2所示。

圖2 空氣溫濕度檢測接口電路

3 系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境配置

在配置Linux下開發(fā)環(huán)境時，首先要在Windows電腦上使用Win32 Disk Imager完成為樹莓派燒寫的操作系統(tǒng)；然后進入wiringPi的github 下載安裝包，再安裝 WiringPi函數(shù)庫,其提供了豐富的樹莓派IO接口控制庫，如為開發(fā)者提供了GPIO控制、中斷、多線程等等；最后在系統(tǒng)指令框中輸入指令gpio -v，如果顯示安裝版本信息，則表明wiringPi安裝成功[2]。

樹莓派I2C總線默認是關(guān)閉，需要手動開啟I2C總線。首先要設(shè)置開啟樹莓派GPIO的SDA和SCL引腳，開啟I2C總線。在指令窗口中輸入sudo raspi-config進入設(shè)置界面，在interface connect選項中設(shè)置I2C為able(開啟)即可。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

基于樹莓派的智能云灌溉系統(tǒng)軟件包括手機端和樹莓派測控端兩部分。其主要流程為：傳感器讀取程序模塊首先按照預(yù)定的采集任務(wù)讀取當(dāng)前的作物環(huán)境參數(shù)值，然后經(jīng)數(shù)據(jù)處理后利用WIFI 通信發(fā)至手機端APP，手機端將數(shù)據(jù)(空氣溫濕度、土壤濕度等數(shù)據(jù))顯示出來，同時控制程序模塊根據(jù)采集數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的控制策略進行控制。其中樹莓派測控端需要利用I2C總線和GPIO端口實現(xiàn)各類傳感器的數(shù)據(jù)采集。程序流程框圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4.1 控制程序的編程要點

由于系統(tǒng)土壤濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和L98N 直流電機等模塊的硬件接口都需要和樹莓派的 GPIO 口相連接，因此在編程時需要明確樹莓派的 GPIO編號方式。如果使用C語言開發(fā)控制程序，導(dǎo)入的庫為wiringPi庫，那么程序中對應(yīng)的GPIO編號為C語言對應(yīng)的wpi編碼方式；如果采用BCM 編碼方式相當(dāng)于調(diào)用了 WiringPiSetupGpio()或RPi.GPIO.setmode(GPIO.BCM)。由于采用C語言編程選用的是wpi編碼方式，這樣在硬件連接上需要按照wiringPi庫文件對應(yīng)的GPIO口編號進行，如果采用別的編程語言，就得更換所必須的庫。因此在開發(fā)時，最好事先將調(diào)用不同模塊的程序進行封裝成類，這樣可以減少開發(fā)調(diào)用時的麻煩和錯誤；為日后程序的維護或擴展，實現(xiàn)精確的定位到需要更改或者變動的地方帶來便利[3]。

4.2 手機與樹莓派的通信設(shè)計

在實現(xiàn)手機與樹莓派的通信中，首先創(chuàng)建一個套接字對象，并根據(jù)樹莓派的IP地址綁定套接字對象的IP地址和端口號，然后開啟監(jiān)聽等待連接。在監(jiān)聽到客戶端的連接后，阻塞等待，創(chuàng)建連接。

接收客戶端發(fā)送的指令，并根據(jù)指令，調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù)，實現(xiàn)遠距離無線控制的效果。雙方的進程交互如圖4所示。

圖4 雙方信息交互過程

編程流程如下：樹莓派首先調(diào)用 socket( ) 建立一個 Socket函數(shù)，對其端口和IP地址設(shè)定，并與bind函數(shù)建立連接；再調(diào)用listen( )建立監(jiān)聽函數(shù)，檢測是否有手機向服務(wù)器發(fā)送請求，若有則利用accept函數(shù)接受連接；待連接成功后向手機端發(fā)送確認連接的提示信息。

手機端首先調(diào)用socket( )建立Socket函數(shù)，利用connect函數(shù)設(shè)立連接端口向樹莓派端發(fā)送連接請求，并讀取樹莓派發(fā)送的確認連接信息。手機端與樹莓派利用send和recv實現(xiàn)信息的收發(fā)過程，待數(shù)據(jù)信息互傳完畢后，雙方最后關(guān)閉Socket。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)在室內(nèi)家居種植環(huán)境測試中，系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，達到了精確灌溉的目的，實現(xiàn)了無人值守管理下植物生長環(huán)境的實時采集、遠程數(shù)據(jù)傳輸和控制，從而達到低成本和省時省力的智能化灌溉的設(shè)計目的，為提升傳統(tǒng)農(nóng)作物田間管理提供了新的思路，具有一定的參考意義和使用價值。