基于Raspberry Pi的温室茶园智能监控系统

孙红严 王茂林 马德新

摘要：在温室茶园中，温度、湿度、光照度、土壤含水量等是影响茶树生长与茶叶产量的关键因素，但这些环境因子难以监控与控制。该研究提出了一种基于低成本高性能的Raspberry Pi，通过ZigBee技术组成的传感器网络模型，结合物联网来监控温室茶园环境的变量因素的系统。结果表明，该系统具有数据传输准确、监控数据稳定、使用方便简单等特点，实现了温室茶园智能监控，对促进茶树生长和茶叶产量提高具有重要的现实意义。

关键词：温室茶园;ZigBee;Raspberry Pi;传感器网络;智能监控

中图分类号：TP2         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2019）14-0134-04

Abstract： In greenhouse tea plantation， temperature， humidity， light intensity， soil water content and so on are the key factors affecting the growth of tea tree and tea yield， but these environmental factors are difficult to monitor and control. Therefore， this paper proposes a low-cost and high-performance Raspberry Pi， a sensor network model composed of ZigBee technology， combined with the internet of things to measure the variable factors of greenhouse tea garden. In this system， tea farmers can use the mobile phone APP and PC side to monitor the tea plantation greenhouse environment information in real time， and adjust these factors. Experiments showed that the system has the characteristics of accurate data transmission， stable monitoring data， easy to use and simple， and has great practical significance for realizing the intelligent monitoring of greenhouse tea garden， promoting the growth of tea tree and improving the yield of tea.

Key words： greenhouse tea plantation; ZigBee; Raspberry Pi; wireless sensor networks; intelligent monitoring

茶树[Camellia sinensis（L.） O.Ktze]为山茶属，是重要的经济作物之一。茶树具有喜阴、耐温、喜湿的生长习性，主要分布在暖温带、亚热带和边缘热带，最早起源于中国西南部湿润多雨的原始森林[1，2]。在茶树在实际的生长过程中，对温度、湿度、光照度、土壤湿度等影响因素要求较高，而目前中国茶园温室监控发展方面存在不足，所以实现温室茶园环境实现智能监控是农业生产中的一个重要问题。

随着现代网络技术和集成电路的迅速发展，无线传感网路（WSN）技术在精准农业生产中具有广阔的应用前景，可以提高作物产量和质量，降低投入成本[3]。Raspberry Pi（以下简称为RPi）是一种低成本的Linux计算机，可使用Python进行编程，为使用者提供了一个良好的操作环境[4]。本研究开发了基于Raspberry Pi的温室茶园智能监控系统，该系统以RPi为主要控制处理器，通过ZigBee技术组成的传感器网络模型结合物联网技术在青岛农业大学温室茶园种植基地中进行了小型试验，对相关环境因子进行远程监控和管理，取得了一些的实践经验和理论成果，对温室茶园智能监控的发展有一定的参考价值并提供技术支持。

1  系统架构

1.1  系统总体结构

ZigBee在IEEE 802.15.4 MAC/PHY标准之上工作，定义了支持可靠多跳无线通信的更高层，它的网络拓扑图根据需求可支持星型、樹型和网状型，非常灵活多变，便于操作[5]。基于RPi的温室茶园智能监控系统结构如图1所示，系统主要由网络层、传输层、控制层、应用层四部分组成。在网络层中主要由WiFi、GPRS、ZigBee传感器节点、汇聚节点组成，在监控模块中传感器终端节点是关键核心部分，通过各种传感器采集茶园环境因子，并将采集到的数据传输至数据控制层。控制层主要有RPi、风机、卷帘机、补光灯等组成，RPi作为控制系统的核心处理部分，它与协调器节点进行连接，并上传至数据库，当达到警戒值时用户可以通过可视化界面进行操作，控制卷帘机、风扇等机器进行工作。应用层主要是指手机端、PC端以及后台控制端组成，种植户可以通过它们去实时监控茶树生长情况以及茶园环境情况，保证茶树的正常生长，以提高经济效益。

1.2  环境信息采集模块

环境信息采集模块主要是对各种传感器的采集信息控制，包括温湿度传感器、土壤水分传感器、光照度传感器、CO2浓度传感器等。该模块中主要运用了ZigBee传感器网络技术，无线传感器网络节点结构如图2所示，传感器采集的数据上传至中心节点。传感器节点主要有四部分构成，分别是传感器单元、处理单元、通信单元以及电源。其中，传感器模块进行温室内信息采集以及数据转换;处理模块负责全部传感器节点的运作、储存以及处理数据;通信模块则进行各节点之间的通信;电源模块提供传感器运行所需要的能量。在茶园温室的不同地方布置大量的无线传感器节点，这些节点通过网关（GPRS、WiFi）接入Internet。

1.3  Raspberry Pi处理模块

系统采用RPi3b+，在刚开机时启动上传、存储、监控、控制4个主程序。上传的数据是由安装在温室内的各种传感器收集的，传感器全部采用RS485串行通信接口，RS485采用二线差分平衡传输，具有传输速率高、抗干扰能力强、兼容性高等优点。在传感器与RPi之间使用Modbus通信协议，是Modicon公司（现在的施耐德电气Schneider Electric公司）在1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表，现在已成为工业领域通信协议的业界标准（De facto）[6]。

Modbus通信協议具有以下优点：①没有版权方面的要求;②部署简单，容易操作;③修改移动比特节无更多限制[7]。RPi与控制箱之间采用通用串行总线进行连接，具体实物如图3所示。

RPi存储主要采用外部插入的SD卡进行读取和存储，由于SD储存数据量有限，所以需要上传至上位机，RPi通过连接本地MySQL只进行短时间内的存储。RPi读取传感器数据的主要程序如下（以CO2传感器为例），程序主要使用C语言进行编程，程序代码为：

2  Web服务器与应用端

2.1  Web服务器设计与实现

租用阿里云数据库与服务器，在云端服务器安装MySQL数据库，可以开放云盾3036端口，这样能够远程连接数据库实现信息共享。在RPi上server.py，在云服务器上运行server.py，服务器监听链接请求，server.py中包含数据库操作代码，客户端链接和断开都会插入数据，可通过查询数据库的方式将客户端链接情况显示在Web上，RPi通过传感器所采集的实时数据都会上传至云端，通过应用端被用户读取，这样就解决了RPi存储数据有限的问题，也方便了用户操作。

2.2  移动端应用功能结构设计

移动端APP具有操作简单方便、界面人性化、具备数据统计功能等优势，能够提高用户体验[8]。选择AppMaker为制作平台进行APP端的开发，基于Raspberry Pi的温室茶园智能监控系统在移动端APP登录后，主页面如图4a所示，点击城阳东旺瞳村大棚北9711页面，如图4b所示。用户可操作主要包括以下模块：

1）用户管理：可以查看用户数据、修改、添加、删除信息。

2）数据查询模块：查看温室内环境因子的实时信息，查询历史纪录，并且可以表格与折线图相互切换，数据清晰明了。

3）控制模块：根据数据信息控制温室内设备进行工作。

4）互动交流平台：用户可以在该APP应用上与茶园专业技术工作人员进行交流，以获得更好的管理技术与经验。

2.3  PC端网站设计

该系统主要使用Eclipse进行开发，Java Web 技术搭建网站，采用MySQL数据库进行数据存储。Web的后台制作主要使用了Java语言、C语言，jQuery、ajax技术主要被使用在Web的前端，用来实时显示被测数据[9]。具体主页面如图5所示，点击地图模块如图6所示。

3  小结

本研究提出一种基于Raspberry Pi的温室茶园智能监控系统，主要使用了ZigBee传感器网络技术、物联网技术等。该系统实现了对温室茶园内温湿度、土壤含水量以及CO2浓度等环境因子的监测，而且使用RPi进行参数设定，当这些环境因素达到或者接近于此值时会反馈一个警报给用户，用户可以通过APP端和PC端调节温室内风扇、自动卷帘机、手动开启施肥灌水机器设备进行工作，为茶树生长提供一个良好的环境。该系统在青岛农业大学两处小面积温室茶园内进行了试验，并能成功运行。采用RPi能够节省成本、易于操作、提质增产，为茶园温室监控技术开拓了新的方法，具有一定的应用前景。

参考文献：

[1] 陈学林.现代茶叶产业技术[M].北京：中国农业大学出版社，2014.

[2] 曾  贞.茶树种质资源的收集鉴定与利用[J].茶叶通讯，2004（3）：14-19.

[3] DAVID L N，AZIZI H， FITRI M R，et al. Wireless sensor network coverage measurement and planning in mixed crop farming[J].Computers and electronics in agriculture，2014，105：83-94.

[4] NEWMARCH J，RASPBERRY P. In：Linux Sound Programming[M].Apress，Berkeley，CA，2017.

[5] KIM S H，CHONG P K，KIM T，et al. Performance study of routing protocols in ZigBee wireless mesh networks[J].Wireless personal communications，2017，95（2）：1829-1853.

[6] DRURY B. Control techniques drives and controls handbook[M].2nd. Institution of Engineering and Technology，2009.

[7] SCHNEIDER-ELECTRIC.Modicon modbus protocol reference guide[R].1996.

[8] 赵廷辉.智能手机APP应用前景及发展瓶颈探析[J].中国新通信，2018，20（19）：98.

[9] 宋凌霄.基于网站制作的Web前端开发设计[J].计算机产品与流通，2019（1）：41.