基于树莓派的智能化屋顶农作物控制系统

李小丽 薛清福

摘  要：介绍树莓派与传感自动检测技术和物联网通信技术，结合农业生产种植，建造一个智能化的屋顶生态农作物系统。该系统在植物生长过程中，将会为其提供最佳生存环境，对解决目前中国的屋顶利用率问题及城市绿化有重要的参考价值与实用价值。

关键词：树莓派;传感技术;自动控制;屋顶农作物

中图分类号：TP391.41      文獻标识码：A    文章编号：2096-3769（2018）06-063-04

在全世界范围内，德国是对屋顶绿化农业技术研究较早的国家之一，也是屋顶绿化相关政策环境最好的国家之一。德国的屋顶绿化率己达14%，对屋顶绿化的管理在德国主要采取政府和业主共同出资的办法，如政府补贴25%的绿化经费，在城市重点地区内，为确保屋顶绿化，对建筑所有权者实行5年内固定资产减税50%的特例措施[1]。屋顶作物地种植是预防热岛现象的措施之一，2001年日本东京市政府出台了相关管控政策，并提出“屋顶绿化设施配备计划”，规定凡是新建建筑物占地面积超过1 000平方米者，屋顶若没有20%为绿色植物覆盖，将被处以相应的罚款。在这样的强制政策环境下，日本东京市屋顶绿化率目前已达到14%[2]。

尽管目前我国的屋顶绿化技术已走向成熟，但在城市推广过程中应用率却非常低，进展的速度也十分缓慢。以中国的一线城市上海来说，总共屋顶面积2亿多平方米，但城市的绿化面积仅12余万平方米，不到总面积的万分之六。而据相关部门不完全统计，北京有屋顶绿化的建筑不到城市现有建筑总数的百分之一，如果对我国首都建成的现有6 979万平方米建筑屋顶面积的30%进行屋顶绿化，可实现屋顶绿化面积相当于在首都城市中心区又建成了27个紫竹院公园，可提高城市绿地769.8万平方米[3]。

在中国农业方面主要面临的问题是人多、地少、耕作效率低，即便农业总产值位居世界第一，人均占有上仍然存在着问题，因此我国农业的发展必经之路必须是利用先进的科技手段。一方面必须充分利用屋顶建筑的空余面积，大力在中国发展高空中的种植农业，这既能产生生态效益，又有相关的经济效益;另一方面有利于解决一定数量的人口就业。食品安全、温室效应等一系列目前存在于我国农业方面的问题，若政府大力提倡并制定相关扶持政策，促进智能化屋顶农业的发展，充分利用屋顶空余面积，屋顶智能农场必将成为中国未来百年巨大的新兴生态产业[4]。

树莓派[5]是由英国的一家慈善组织基金会开发，基于ARM的微型电脑主板，其体积仅为信用卡大小，价格大概150元左右，具备PC的基本功能。目前，树莓派已发展到第三代，不管是内存容量还是处理机的计算速度都有了很大提高，加之具有的无线网络及蓝牙功能，使得它能方便地接入互联网，同时树莓派具有40个GPIO口，能连接的设备非常丰富，这也是本论文采用树莓派进行各种外接传感器连接与控制的主要原因。

一、系统简介

笔者所提出的基于树莓派的智能化屋顶农业控制系统可实现对影响农作物生长的环境因素通过传感数据的实时监测进行控制，同时还可以根据环境参数门限值设置实现对现场电气设备的控制，如：风扇、加湿器，除湿器、照明设备、灌溉设备[6]等，同时也支持远程控制现场电气设备。常用的对植物环境监测传感器包括：空气湿度、空气温度、环境光照、土壤温度、土壤水分含量等。同时根据需要，还可对系统进行扩展加入无线传感器节点，如大气压力、加速度、水位监测等传感器[7]。同时根据收集的数据与农作物生长专家数据库中的数据进行比对，及时更新专家库，使系统具有最好的鲁棒性和扩展性。

二、系统组成

基于树莓派的智能化屋顶农业物联网自动控制系统采用典型三层物联网架构设计，用户可以像常用电气设备那样部署物联网系统实现系统便携式、无线化、自动化的特点。本系统硬件具体架构如图1所示。

三、系统功能模块设计

基于树莓派的智能化屋顶农业控制系统由于其规模较大，所涉及的智能化技术及农业生产技术较多，因此主要技术指标较为复杂，主要分传感设备的主要技术指标、监测设备主要技术指标、控制设备主要技术指标和栽培技术指标，由于栽培技术涉及农业方面相关知识，较为专业，在本文中将不对其进行详细描述[8][9]。

各种传感设备控制主要技术指标如下：1.水分传感器其主要需监控的参数为：容积含水率[10]等;2.温湿度传感器其主要需监控的参数为：温度与湿度[11]等;3.光敏传感器其主要需监控的参数为：光照度;另还需实时监测的传感器的参数包括营养液浓度、酸碱度、风力[12]等。

监测设备主要技术指标主要包括：1.视频监控，用于安全监控、植物生长情况监控、设备设施监控;2.数据监测，根据传感设备相关数据计算实际环境与标准农作物生长环境要求的差异，提供对农作物或植物最佳生长环境的自动控制依据。

控制设备主要技术指标主要包括：循环水控制，营养液投放控制，温湿度控制，光照度控制，风力控制。

根据以上对技术参数和相关功能相求，设计系统功能，具体系统的功能模块如图2所示。

图2中的各模块功能具体介绍如下：

监测管理模块：该模块主要利用物联网技术和项目开发的软件接口实时远程获取农作物的空气温度、湿度、光照强度、土壤水分温度等环境参数及视频图像，通过对收集的数据进行比对与分析，远程或自动控制喷淋滴灌等相关设备，保证农作物最佳生长环境。同时，该系统还可以通过手机APP、PDA等信息终端向农户推送实时监测信息、预警信息、农技知识等，实现对屋顶种植农作物或植物的集约化、网络化远程控制管理。由于项目可以根据监测的传感数据计算实际环境与标准农作物生长环境要求的差异，这也为控制农作物的生长提供了自动控制依据。同时模块也可对相同农作物的相关实时监测传感数据进行对比，也可将收集的数据进一步扩充到农业物生长的大数据库里，为后继植物生长提供参考依据。

报警管理模块：本模块负责智能化屋顶种植系统监控端预警数据的实时显示，通过监测管理模块获取的实时相关数据和相关专家数据库中的数据进行比较结果，对超出控制范围的相关模块进行实时预警，以利于及时进行相关农作物生长所需参数的控制，通知相关人员及时响应投放相应农业物生长所需的养料，达到实时调控生长中所需的参数，减少人工到现场进行检查的次数，节省人工成本。

权限管理模块：该模块主要實现对系统功能访问的控制。本系统采用将用户分成各种角色，每个角色对使用的系统拥有响应的权限，当用户登录系统时，根据用户所属的角色读出该用户所拥有的权限。角色是用户在某个环境中的身份，也是一种自定义权限的集合，可建立多个角色，并且每个角色可指定多个权限，这使得在对系统进行管理时更加科学地分别实现对各种数据项目的控制和管理。

报表管理模块：本模块提供对传感器设计的参数监测数据的查询，传感器采集数据表格形式以更加直观和利于理解的形式进行显示，以及数据文本导出、打印统计，并根据查询条件检索传感器参数在一段时间内的监测情况。

消息管理模块：该模块具有对用户进行消息传递的功能，传递消息具有可靠性、高效性、稳定性、实时性。消息管理分成三部分，第一部分包括系统管理员发布消息，可以按照不同的用户、不同的角色来发布消息。如果相关管理人员在一定的时间范围内没有收到消息，可以采用短信等方式发送消息，防止消息没有通知到位从而影响对植物或农作物及进控制。第二部分是管理人员在电脑登录系统后会自动弹出新消息提醒。第三部分系统自动发布消息，当系统中有一些数值达到警界范围时，会自动向相关人员发送消息，从而使用户能及时做出响应。

备份管理模块： 本模块可以保存实时监测的各种传感器及监控数据以备不时之需 。PC端支持 C/S、B/S 版，因此本模块同样支持数据文本格式导出。

系统执行流程如图3所示。

四、Android手机端APP程序设计

在中国，智能手机市场占有量及人均占有量是巨大的，移动4G的使用使得将PC端接收消息的模式扩充移植到手机使用上成为可能，这对智能农业的用户来说将能在实时性、方便性方面得到更好地满足。Android[13]平台是google公司于2007年11月推出的一个全新的智能手机平台，主要包含四层次：Linux[14]内核层、Android运行库和其他库层、应用框架层、应用程序层。

本实时控制系统将主要包含以下几个功能模块：用户登录、实时监测数据、现场设备的控制、预警数据的显示等功能。手机APP端与服务器进行通信时采用Http方式进行请求数据，对此将对其用JSON进行数据封装。为了能够实时收到服务端消息，在APP端建立相关服务，实时与服务器进行交互。Service是运行在后台的程序代码，是Android系统的后台服务组件，Sevice收到服务端发出的最新消息时，再利用notify方法向APP端发送消息通知和显示。

手机APP端的各项功能与PC端程序保持一致性，因此其功能结构图仍如图2所示，执行流程如图3所示，系统数据采集仿真如图4所示。

本文引入传感技术与物联网技术，通过树莓派来实时监控屋顶生态农作物生长过程中的环境参数，进行智能化、数字精准化的农作物生长环境的控制，同时将所采集的各种数据进行分析，以创造出最适合农业物生长的环境，用水仅占传统农业种植的15%-30%，作物长势强、营养更好。由于传感技术及无线网络技术的支持，对农作物的生长控制最大化地减少了人工的参与，及时发现出现的问题并进行应对，实现对农作物生长环境的定性、定量的控制，减少了由于人工用量不同对农作物生长的影响，使植物的生长更均匀，保证植物的最佳生长环境，提高经济效益，更可与教学实验观光旅游相结合，产生一定的经济效益。

参考文献：

[1]管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术，2010（3）：24-27.

[2]孙科.物联网在现代农业上的应用[J].无线互联科技，2012（3）：19.

[3]龚道礼.基于无线传感器网络的环境监测系统研制[D].中国地质大学，2011.

[4]石来德.机械参数电测技术[M].上海：上海科学技术出版社，1981.

[5][6]李龙棋，方美发，唐晓腾.树莓派平台下的实时监控系统开发[J]. 闽江学院学报， 2014， 35（5）：67-72.

[7]王永生， 陈静， 陶欢，等. 精准农业技术对生态环境的影响评价研究进展[J]. 中国农业科技导报， 2016， 18（4）：73-78.

[8]吕垒平. 无线传感技术在精准农业的研究及应用[D]. 北方工业大学， 2014.

[9]胡泽林. 基于无线传感的精准农业物联网关键技术与原型系统研究[D]. 中国科学院大学， 2012.

[10]Bank T W. World development report 2008： agriculture and development.[M]. O.U.P， 2007.

[11]Akram-Lodhi A H.（Re）imagining Agrarian Relations？ The World Development Report 2008： Agriculture for Development[J]. Development and Change， 2008， 39（6）：1145-1161.

[12]Bitzer V， Glasbergen P， Arts B. Exploring the potential of intersectoral partnerships to improve the position of farmers in global agrifood chains： findings from the coffee sector in Peru[J]. Agriculture and Human Values， 2013， 30（1）：5-20.

[13]Food and Agriculture Organization of the United Nations. 糧农组织统计年鉴[M]. Food and Agriculture Organization of the United Nations， 2004.

[14]Nations F A O O. World food and agriculture[M]. Food and Agriculture Organization， 2012.

Agricultural Control System of Intelligent Roof Based on Raspberry Pi

LI Xiao-li1， XUE Qing-fu2

（1.Quanzhou College of Economics and Trade， Quanzhou Fujian 362000， China

2.Quanzhou Medical College， Quanzhou Fujian 362000， China）

Abstract： The article introduces the combination of Raspberry Pi， automatic sensor detection technology and IoT communication technology with agricultural production and planting to build an intelligent roof for an ecological crop system. The system will provide the best living environment for the plant growth， and is of important reference and practical value for the current roof utilization problem and urban greening in China.

Key Words：  Raspberry Pi; Sensor technology; Automatic control; Rooftop crop