一种低成本农作物生长环境数据采集系统_杨露露.pdf

数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering236如今，我国农业正在从传统的小型化、人工化向规模化、智能化方向发展1。但由于历史和经济原因，目前我国部分山区依然处于贫困状态，仍然保持传统的种植模式。如何借助新一代信息技术，低成本、高可靠获取农作物生长的环境参数，从而高效第利用大数据、人工智能等手段实现农作物科学生长，帮助贫困地区尽快富裕正成为人们关注的焦点2-5。Raspberry Pi，即树莓派是一种低功耗、低成本、小尺寸迷你型处理器，操作系统采用 Linux，集成 Wi-Fi 功能，在现代农业、教育、医疗等领域已得到广泛运用6-8。因此，基于树莓派，本文设计并开发一种集数据采集、无线传输、云服务器等为一体，具有网关多协议转换、数据过滤及负载均衡等功能的农作物生长环境数据采集系统，采集温湿度、光照强度和等农作物环境参数，为应用人工智能、大数据手段对农作物生长提出科学合理的建议提供了重要支撑。1 系统架构本系统由 Raspberry Pi 数据采集模块、Web 服务器和 ArgIntel 移动 APP 组成，如图 1 所示。Raspberry Pi 数据采集模块：树莓派在本系统中作为传感节点采集温湿度和光强信息以及图片。数据和图片通过 POST 方式发送到 Web 服务器存入数据库，使用HTTP 传输协议进行数据传输。Web 服务器：系统服务器使用腾讯云服务器，它的功能是对传感器 POST 过来的农作物生长环境数据与生长图片进行存储。系统提供 Web 页面展示数据，同时提供 API 以供 IOS APP 调用。ArgIntel 移动 APP：ArgIntel 移动 APP 由首页、消息页和设置页三个页面组成，可实现温湿度以及光照强度的数据展示、异常数据报告和用户自定义数据标准功能。IOS APP 通过调用 Web 服务器 API 接口，使用HTTP 传输协议和 GET 方式进行数据传输。2 Raspberry Pi数据采集模块2.1 树莓派树莓派预装 Linux 系统，体积仅信用卡大小，搭载ARM 架构处理器，运算性能和智能手机相仿；在接口一种低成本农作物生长环境数据采集系统杨露露（黔南民族职业技术学院 贵州省黔南布依族苗族自治州 558022）摘要：本文基于低成本的树莓派迷你型处理器，设计并开发集数据采集、无线传输、云服务器等为一体，具有网关多协议转换、数据过滤及负载均衡等功能的农作物生长环境数据采集系统。系统可采集温湿度、光照强度等农作物环境参数，并以 Wi-Fi 热点的方式，将采集到的数据以及生长情况数据传输到云服务器进行数据处理和应用。基于平板 iOS，开发 ArgIntel 移动 APP，可在智能终端实时监测农作物生长状况，查看历史数据和异常数据，为应用人工智能、大数据手段对农作物生长提出科学合理的建议提供了重要支撑。关键词：数据采集；云服务；无线传感网；远程监控；iOS 移动 APP图 1：系统架构数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering237方面，树莓派提供了可供键鼠使用的 USB 接口，此外还有快速以太网接口、SD 卡扩展接口以及 1 个 HDMI高清视频输出接口，可与显示器或者 TV 相连。树莓派具有价格便宜，功耗低等特点，提供基于 GUI 的集成开发环境，是一款非常适合贫困地区使用的迷你型微处理器910。树莓派 3 代 B 型实物图如图 2 所示。2.2 DHT11温湿度采集模块DHT11 数字传感器是基于自定义协议的，这个协议使用的是单线/总线（1-wire）协议进行通信。采集温湿度数据选择 DHT11 温湿度传感器，其 DATA 数据传输接口是直接与树莓派的 GPIO 接口连接的。温湿度传感器接线到树莓派端口为：VCC 接 3.3V 的 GPIO 接口，GND 接 GND 的 GPIO 接口，OUT 接 GPIO12 的 GPIO接口11。采集温湿度信号核心代码为：import RPi.GPIO as GPIOimport dht11GPIO.setwarnings(False)GPIO.setmode(GPIO.BOARD)instance=dht11.DHT11(pin=12)result=instance.read()GPIO.cleanup()2.3 GY-30光强采集模块采集光照强度数据使用 GY-30 感光模块。GY-30 内置 BH1750FVI，外接 5 个引脚，BH1750FVI 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。在本系统中默认地址为 0 x23。光照强度传感器接线到树莓派端口为：VCC 接 5V 的 GPIO 接口，GND接 GND 的 GPIO 接口，SCL 接 GPIO5 的 GPIO 接口，SDL 接 GPIO3 的 GPIO 接口光强信号采集核心代码为：import RPi.GPIO as GPIOimport smbusbus=smbus.SMBus(1)addr=0 x23data=bus.read_i2c_block_data(addr,0 x11)GPIO.cleanup()2.4 图片采集模块系统采用 DIS 摄像头模块采集农作物长势图片，该模块的感光芯片采用 OmniVision 公司生产的 1/4 英寸OV5647芯片，可通过软排线直接与树莓派控制板连接。它配备 500 万像素的图像传感器，能拍摄 25921944 分辨率的图片12。2.5 数据上传模块HTTP 定义了与服务器交互的不同方法，最基本的方 法 有 四 种：GET、POST、PUT、DELETE。GET 一般用于获取/查询资源的信息，而 POST 一般用于更新资源信息。因此，树莓派与服务器的数据通信采用的是POST 方式，其核心代码为：import requests import datatimeDict=temperature,humidity,lightr=requests.post(url,data=dict)file=myFile:open(/home/pi/sensor2/AgrIntel/image/+datatime+.jpg,rb)res=requests.post(url,files=files)3 Web服务器及网页3.1 服务器系统服务器采用 LNMP 方案，在 Cent OS 操作系统上搭建基于 Nginx、MySQL 与 PHP 的服务器1314。服务器通过POST的方式接收树莓派端采集的数据和图片，图 2：树莓派 3 代 B 型实物图数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering238服务器提供 API 接口、上传 Json 数据接口和上传图片接口，API 主要用于服务器与传感节点、IOS APP 之间的数据通信。上传 Json 数据接口为：http:/115.159.120.50/AgrIntel/upload/uploaddata.php上传图片接口为：http:/115.159.120.50/AgrIntel/upload/uploadimage.php3.2 Web网页设计Web 网页主要用来对数据进行展示，并使用折线图统计显示最近一段时间的数据变化。网址为：http:/115.159.120.50/Agrlntel。Web 网页包含首页、数据展示页和折线统计图三个部分15。首页简单介绍了系统的功能并展示树莓派传感节点的实物图像；数据展示页对采集到的农作物生长数据进行展示，并根据当前环境数据给出适当的建议。4 iOS移动APP4.1 Agrlntel概述Agrlntel 是一款基于平板 iOS 系统开发的 APP。AgrIntel 使用 Objective-C 编写16。该终端通过调用 API 接口连接到数据采集系统的数据库，定时查询监控节点的环境信息情况，并通过与设定的温湿度及光强阈值的比对判定数据是否异常。iOS移动 APP 主要用于实时查询关注农作物生长情况，并给出耕种建议。4.2 移动APP结构在 APP 架构中，UITabBarController 作为根控制器，有三个子控制器，分别为首页、消息和设置三个页面组成17。APP 架构如图 3 所示。APP 架构中首页展示数据，点击对应日期的 cell 便可查询具体某一天的数据，并对一段时间的数据进行统计显示。如图 4 所示；消息页显示异常数据，并计算出比标准范围高多少或低多少，点击可显示详情，如图 5 图 3：APP 架构图 4：移动 APP 首页图 5：移动 APP 消息页图 6：移动 APP 设置页数据库系统设计Database System Design电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering239所示；设置页实现用户自定义数据标准功能，可手动设置监控的温度、湿度和光强数据阈值以及清空缓存，如图 6 所示。5 结语基于树莓派迷你型微处理器，本文设计并开发集数据采集、无线传输、云服务器等为一体，具有网关多协议转换、数据过滤及负载均衡等功能的农作物生长环境数据采集系统。系统可采集温湿度、光照强度和等农作物环境参数，支持多节点高速传输，具有低功耗、低成本和高扩展性、移植性等特点，对实现农作物远程观测的自动化、智能化具有很强的实用性。参考文献1 Internet of Things(IoT):A vision,architectural elements,and future directionsJ.Jayavardhana Gubbi,Rajkumar Buyya,Slaven Marusic,Marimuthu Palaniswami.Future Generation Computer Systems.2013(7).2 朱轶,曹清华,单田华,等.基于树莓派 2 的微型农业大数据平台的可行性研究J.江苏农业科学,2017,5.3 Zhu Yi,Cao Qinghua,Shan Tianhua,Liu Huixia,Pan Tianhong.Feasibility study of micro-agricultural big data platform based on Raspberry Pi 2J.Jiangsu Agricultural Sciences,2017.5.4 陈显明,刘书焕.基于物联网的农业环境收集系统设计 J.实验室研究与探索,2018.5 吴川,周治平.嵌入式 WMMP-T 协议的物联网网关系统的设计 J.电子测量与仪器学报,2014,8.6 Wu Chuan,Zhou Zhiping.Design of IoT Gateway System with Embedded WMMP-T ProtocolJ.Journal of Electronic Measurement and Instrument,2014.8.7 王明超.船舶无线传感网络节点数据的采集方法研究 J.舰船科学技术,2018,1.8 秦琳琳,陆林箭,石春,等.基于物联网的温室智能监控系统设计 J.农业机械学报,2015,46(3):261-267.9 黎敬涛,李航,黄北北,等.基于嵌入式技术的农村医疗系统设计 J.现代电子技术,2015,9.10 朱轶,曹清华,单田华,等.基于Android、树莓派、Arduino、机器人的创客技能教育探索与实践 J.实验技术与管理,2016,6.11 Remote underwater dual cameras video image acquisition system using Linux based embedded PC104.Lin W P,Chin C S.OCEANS 2014-TAIPEI.2014.12 Samarth Shah.Learning raspberry PI.2015.13 Learn Raspberry Pi Programming with Python.Wolfram Donat.2014.14 美 霍兰(Horan),Raspberry Pi 树莓派实作应用 M.人民邮电出版社,2014.15 Design of Greenhouse Surveillance System Based on Embedded Web Server TechnologyJ.Gao Junxiang,Du Haiqing.Procedia Engineering.2011.16 Rahul Sharma.Nginx high performance.2015.17 刘志杰,张华忠,单晓岚.基于嵌入式 Web 的远程实时监控技术研究 J.计算机工程与设计,2007(15).18 美Christian Keur,美Aaron Hillegass,美 Joe Conway.iOS 编 程 M.华 中 科 技 大 学 出 版社,2015.19 龙晓颖.基于 iOS 的移动应用 UI 架构库的设计与实现 D.北京邮电大学,2014.20 Long Xiaoying.Design and implementation of mobile application UI architecture library based on iOS D.Beijing University of Posts and Telecommunications.2014.作者简介杨露露（1996-），女，硕士研究生学历。研究方向为无线通信与组网。