基于“树莓派”三代的农业智慧监测系统研究
周毅飞1，吕晓菡1，李庆海1，姚永红2※
（1. 杭州市农业科学研究院，浙江杭州 310024；2. 重庆市农业科学院，重庆 401329）
摘 要 为了更实时有效地监测作物生长环境参数，设计并实现了一套基于树莓派（Raspberry Pi）农业智慧监测系统。该系统以树莓派3代B型为核心，连接土壤湿度、空气温湿度、叶面温湿度、光照强度和pH值等传感器，可用于监测作物整个生长周期的土壤湿度、空气温湿度、叶面温湿度、光照强度和pH值等参数。本研究基于树莓派3代成功搭建了农业智慧监测系统，开发了适于电脑端的Web版和移动手机端的App（iOS版和Android版），并已监测获取作物生长相关参数和环境因子的数据。该系统运行可靠，操作简单实用，可扩展性强，为下一步开展作物长期数据监测，进行作物生产参数研究和智能控制奠定了基础。
关键词 树莓派；农业智慧监测；生长参数；传感器
我国农业自动化水平偏低，传统农业基本是基于感性经验的农业生产方式和管理方式，然而，近年来，水资源匮乏、土地盐碱重、气候条件恶劣易变等情况日趋严重，严重制约了我国农业的飞速发展。这就迫切需要通过发展物联网技术来提高生产效率和节约资源。作物生长环境中的空气温湿度、土壤温湿度及光照强度等参数对作物生长有十分重要的影响，需要在适宜的综合环境因素下，才能实现最大化的作物产值。因此，作物生长的环境数据变化的实时采集监测尤为重要，以便及时做出应变措施，让农作物在适宜的环境中生长和生产。传统农业气象环境监测方式主要是人工依据生产经验使用测量工具实地获取数据进行相关测量。人工经验型监测方式存在时效性低、工作量大、生产成本高、随机取点误差大等问题，根本无法满足对作物生长环境参数实时监测的需求。
Raspberry Pi(中文名为“树莓派”）是一个开放源代码的硬件平台，该平台包含一块具备I/O功能的电路板及Broadcom BCM2835 system on a chip(SoC)的ARM芯片，能适应于物联网等多种工作环境，不仅能跑全系列ARM GNU/Linux发行版，而且支持Snappy Ubuntu Core及Windows 10 IOT[1]。本研究将树莓派3代为核心，并结合土壤湿度、空气温湿度、叶面温湿度、光照强度和pH值传感器，搭建农业智慧监测系统，传感器技术是信息获取的源头。利用树莓派3代强大的数据处理能力，使该系统对复杂多变的作物生长环境参数的实时监测成为可能，也使该系统更加稳定可用。
1 硬件设计
1.1 整体结构设计
主要由树莓派Raspberry Pi 3 Model B（见图1）、7寸显示屏、FC-28土壤湿度传感器、DHT11空气温湿度传感器、LWS-10叶面温湿度传感器、光照强度传感器和ST-PH pH值传感器组成。树莓派3代兼容1代B+和2代B，相比之下，处理器升级到了64位的1.2GHz四核ARM Cortex-A53，性能比起初代的树莓派提升了10倍以上，提供了丰富的GPIO接口（见图2），并整合了802.11n Wi-Fi和蓝牙4.1等功能[2]。
图1 树莓派3代Raspberry Pi 3 Model B
图2 树莓派3代B型提供的GPIO串口
1.2 土壤湿度传感器
FC-28土壤湿度传感器的AO口(模拟量口)与AD8591数模转换模块的输入口连接，将模拟量转换为数字量，然后AD8591将土壤湿度的数字量通过I2C总线传输到Raspberry Pi 3 Model B里[3]。一般电容式土壤湿度传感器都是支持3.3～5.5 V的电压，这个区间的电压在树莓派的GPIO接口上还是非常容易取得的，连接到树莓派的5 V电压脚上之后接上ADC模拟信号转数字信号转换模块板上（见图3）。
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图3 土壤湿度传感器连接示意图
1.3 叶面温湿度传感器
技术特点：用户可以通过该软件实现对蔬菜种植土壤的湿度数据、叶面温湿度数据、环境因子如空气温湿度、光照强度等进行实时监控，并可根据蔬菜生长情况设定水分管理，当达到设定值可以自动为蔬菜浇水，并可通过软件查看当各个监测设备的运行情况等。
1.4 空气温湿度传感器
温度对作物生长的影响是综合的，会影响光合、呼吸、蒸腾等代谢过程，也会通过影响有机物的合成和运输等代谢过程来影响作物的生长，作物在最适温度下，生长最快。空气相对湿度是影响作物吸水和蒸腾的重要因子之一，一般情况下，空气湿度在50%～80%为最适宜，一旦空气相对湿度不及40%，土壤干旱，一般植株容易失水萎蔫。若湿度过大有助于病菌的繁殖，使病虫害发生几率变大。DHT11温湿度传感器主要用来监测作物生长环境的空气温度和湿度，连接树莓派的原理图，要用到的接口有VCC、GND、DATA（见图4），VCC接上电源正极PC POWER 3.3 V接口，GND接到GROUND接口，DATA接到GPIO接口，使用3根母对母的线进行连接，如果要使用5 V的电源则需要串联一个电阻，电阻起到限流的作用[4]。NC接口悬空（芯片中的NC引脚没有任何用途，只限于封装，但却必须存在）。
1.5 光照强度传感器
在树莓派3代上安装带图形界面的Raspbian操作系统，系统的前台、后台和监测程序采用Python开发语言[5]，需要安装pip3和setuptools支持，使用Python GPIO、BCM2835库，利用这些集成库可以方便的对树莓派相关硬件资源进行函数操作[6]，这也是选择树莓派3代作为主板的一个原因。平台器选用阿里云ECS，Windows系统，.NET开发环境，VS Code开发工具，.NET Framework 2.0运行框架，SQL Server Express数据库。系统框架如图6，其主要流程是：平台下达采集任务到树莓派，通过连接总线，下达给采集器（传感器），传感器读取程序模块按照预定时间值读取当前的采集参数，如土壤湿度、叶面温度等，将模拟信号转换为数字信号，上报给树莓派，再反馈到平台，通过PC端Web版或手机端App进行数据展示。
1.6 pH值传感器
为便于用户查看和操作，开发了手机端App，针对市场主流2大类智能手机，开发了iOS版和Android版，主要功能包括：支持多套设备同时在线，可以适时查看叶面温湿度、土壤湿度、空气温湿度、pH值等7个监测数据，以及对作物或环境进行现场图片采集，还设置了常用的控制，如浇水、通风、加湿和加温，并有操作日志（见图8）。
Web版采用HTML5、CSS、JavaScript编写，后台采用Flask编写，主要功能：生长监测模块，包括土壤湿度、叶面温湿度监测；环境因子监测模块，包括空气湿度监测、空气温度监测、光照强度监测、pH值监测和本地天气预报；智慧管理模块，包括设备列表，浇水设置、湿度设置，温度设置，冲突设置；手动控制模块，包括手动浇水、手动加湿、手动加温和手动通风；控制查询模块，包括浇水查询、加湿查询、加温查询和通风查询；系统管理模块，包括用户管理、角色管理、在线统计和用户设置等，另外，数据表格支持在日期列表和图表2种模式查询，导出导出Excel或WPS功能（见图7）。
图4 DHT11温湿度传感器接口示意图
图5 光照强度传感器引脚接入图
2 软件设计
2.1 设计方案
光是作物进行光合作用的能量来源，作物对光的不同要求，要在合适光环境中才能健壮生长，同一种作物在不同的发育阶段对光照的要求也不一样，所以对作物生长过程进行光照强度监测是非常必要的。将光照强度传感器引脚与树莓派连接（见图5）。
2.2 电脑端程序开发（Web版）
图6 智慧监测系统设计方案图
6.金融业高端人才不足。目前，深圳金融人才无论是从规模、创新能力还是专业素质上，都还比不上国内的其他金融发达地区并且落后于国际水平。深圳特区的高级金融人才还是相对匮乏，缺乏像现代金融业务经理、销售精英等高素质的专业人才；国内人才输送不足，在国际上招揽人才成本又过高，甚至，在金融开放和人才流动的过程中，外资金融机构往往能够开出更优厚的条件，对金融高级经理人才有更大的吸引力，人才流失严重，导致深圳金融机构目前从业人员的总体现状就是，普通从业人员相对过剩而高素质人才却相对不足。
图7 农业智慧监测系统web版界面
叶面湿度的监测，对于了解作物的生长发育情况，研究作物生长，预防病虫害发生等有重要意义，叶面湿度传感器从外观上来看，叶面湿度仪采用了仿叶片设计，主要是传感器的外形就像一片叶子，因此能够真实模拟叶页面特性，反映叶面的水分散失过程。从功能上来看，叶面湿度传感器能够对叶面湿度进行精准的测量，能够监测到叶面的微量水分或冰晶残留。LWS-10叶面温湿度传感器采用介电常数法原理，可以测量叶面水份的大小。全天候记录叶面表层湿度的变化，可正点定时或自由设定间隔时间采集叶面湿度信息，可以探测到传感器表面是否有水或者冰的存在，无需单独标定，功耗低，采用RS485接口，Modbus协议，湿度量程 0%～100%，温度量程：-40～80 ℃，可接入树莓派3代。
2.3 手机端App开发（iOS版和Android版）
土壤pH值是土壤的基本性质之一，也是影响土壤肥力的重要因素之一。我国各类土壤的pH值变异很大，大多数为4.5～9.0，它直接影响土壤养分的存在形态、转化和有效性，土壤酸碱度对土壤肥力及植物生长影响很大。有些土壤的pH值小于5不适合作物生长，甚至有些pH值达到3。所以在农业智慧监测系统中加入了土壤pH值的监测，使用了ST-PH pH值传感器，输出信号为RS485，Modbus协议，可以接入树莓派。
图8 “农业智慧管理系统”App界面
3 监测数据分析
通过农业智慧管理系统V2.0，可以记录作物生长期间的土壤湿度、 叶面温湿度数据，环境因子的空气温湿度、光照强度、pH值数据，甚至可以调用本地天气预报数据进行比对，供指导生产参考。以土壤湿度、叶面温度监测数据图表（见图9、图10）和本地天气预报功能为例，可见通过该系统监测得到的数据对农业生产有实际指导意义。
他当时没有恐惧的感觉，所以他推测，那种战栗，应该是在大脑屏蔽了它的同时，身体却仍不可避免地受到了它的一些影响。
4 结语
图9 土壤湿度监测数据图表
图10 叶面温度监测数据图表
基于树莓派3代的开源、标准化、可扩展、成本低的优势，搭建了作物生长环境参数的监测平台，实现了远程对作物生长环境的实时采集监测，及时获得作物生长环境参数的数据，做出相应的解决措施，减少环境因子对于作物生长的不利影响。系统具有良好的通讯效率，运行安全稳定，监测范围可大可小，非常适合中小型农场以及阳台蔬菜的实时作物生长环境参数采集。本系统的应用很好地诠释了物联网技术的优越性，提高了对作物生长环境的实时监测能力，对都市农业的良好快速发展有一定地推动作用。
(5)配件的口径一般与所安装位置的管道管径相同，但调节阀、减压阀、平衡阀、安全阀等阀件要根据介质的温度、流量、压力等参数进行计算方可确定其口径。
参考文献：
[1] Rushi Gajjar.树莓派+传感器[M].北京:机械工业出版社,2016.
[2] 蒋亚东,谢光忠,苏元捷.物联天下 传感先行——传感器导论[M].北京:科学出版社,2016.
[3] 何江.一种智能云灌溉系统[J].节水灌溉,2017(3):97-99.
[4] Tero Karvinen, Kimmo Karvinen, Ville Valtokari.传感器实战全攻略[M].北京:人民邮电出版社,2016.
[5] Alex Bradbury, Ben Everard.树莓派Python编程指南[M].北京:机械工业出版社,2015.
[6] 徐佩锋,徐侃奕,李江涛,等.基于Homekit和树莓派的农业智能网关设计[J].软件研发与应用,2018(7):29-31,39.
中图分类号： F407.67；TP274
文献标志码： A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.10.018
周毅飞,吕晓菡,李庆海,等.基于“树莓派”三代的农业智慧监测系统研究[J].南方农业,2019,13(10):62-65.
收稿日期： 2018-12-26
基金项目： 杭州市农业科研自主申报项目（20160432B18）；重庆市科委科技服务平台专项（cstc2015ptfw-ggfw80001）。
作者简介： 周毅飞（1978—），男，安徽宁国人，硕士，高级农艺师，主要从事智慧农业研究。E-mail: feiauto@163.com。
※为通信作者 ，E-mail: 417184836@qq.com。
（责任编辑：敬廷桃）
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