基于图像检测的家庭花草监护智能系统

薛 亮,钟 麟,刘小韬,王建锋

(西京学院 电子信息学院,陕西 西安 710123)

0 引言

有研究表明,在家庭中种植花草,可以帮助人们缓解压力、调节情绪。 但现代人用来呵护家庭绿植的时间少之又少。 而近年来,人工智能逐渐被人们所熟知,也已经渗透到了各个领域,包括花草种植行业,传统的养花方式也逐渐被智能养花方式所替代。 因此,人工智能可以满足人们对省时省力地种植花草的需求,实现种植过程智能化。 本设计让每天忙于工作的上班族也能给家庭中的花花草草营造一个舒适的环境。

本设计将一块树莓派4 代开发板作为核心控制器。 当植物所处的环境温湿度超出该种植物的最佳温度区间时,手机App 端会警告,进而可以进行相关的自动控制操作,比如开启补光灯等。 当植物遭受虫害时,传统的处理方法是人工进行药剂喷洒;而此设计可以在植物受到害虫侵扰时,通过图像识别处理判断害虫种类[1],自动使用对应的杀虫药剂。 本设计也可以进行湿度检测,当湿度值超过适宜区间时,手机端可以选择是否下达浇水命令。 当植物所处环境的pH 酸碱度异常时,用户可以通过手机端选择实时喷洒对应药液等一系列操作。 本设计充分满足了生活节奏快、疏于照顾家中植物的人们的需求,使得人们只需要利用日常零碎时间通过手机App 端进行相关操作,就可以使家中植物茁壮成长。

本文对基于树莓派的智能花草监护系统的国内外发展现状进行了研究,探讨了基于树莓派的花草监护系统的概念、实现方法、通信方式对完成花草监护系统设计的必要性和重要性。

1 系统方案设计

1.1 系统总体方案设计

该系统选用树莓派4 代B 型开发板为开发平台。树莓派是一款基于ARM 的微型电脑主板,除了具备计算机的基本功能外,还配备GPIO 接口。

首先在树莓派上安装Web 服务器软件等,然后通过GPIO 接口外接温度传感器、土壤湿度传感器、光照监测传感器等外围设备,用于采集植物温度、植物光照强度等数据,并将采集的数据存储在云端服务器的数据库中。 为了实时观察植物的情况,该系统还外接摄像头,通过编写Python 程序将视频传输至Web 服务器,用户可以利用手机、电脑、平板等设备通过WiFi 网络连接到Web 服务器上进行查看[2]。 该树莓派4 代B 开发板平台集 Web 服务器、数据库、控制系统于一体,灵活小巧,便于用户远程监控。

1.2 硬件设计

基于图像检测的家庭花草监护智能系统是通过通信技术将控制设备、温湿度传感器、光照强度传感器、摄像头图像识别等连接在一起。 该系统的硬件结构功能如下:

(1)主控模块。 控制器是系统的核心,不仅承担着联系各个模块的作用,还与采温湿度传感器、摄像头等连接,具有统一管理、集中处理、控制的功能。 本系统采用树莓派4 代B 开发板作为整套系统的控制器。

(2)摄像头模块。 对植物病虫害等状态进行监测。

(3)温度传感器。 对植物所处的环境温度进行检测。

(4)湿度传感器。 对植物所处的环境湿度进行检测。

(5)光照强度传感器。 对植物所处环境的光照强度进行检测。

(6)水泵抽取模块。 用于对影响植物生长因素如温湿度等相关调节。

(7)供电模块。 对树莓派4 代B 开发板提供5 V、1 A 的电源输入。

1.2.1 树莓派控制器

本文选用的树莓派4 代B 开发板是一款提供开源软件架构的微型电脑主板,与树莓派3B+相比,树莓派4B 在处理器速度、多媒体性能、内存和连接方面实现了突破性的增长,同时保留了向后兼容性和类似的功耗。 对用户而言,树莓派4B 提供的桌面性能可与入门级x86 PC 系统相媲美。 虽然它的尺寸只有信用卡大小,但是具有音视频、蓝牙、无线等PC 的所有功能,且功能强大,价格低廉,性价比极高,目前已经被广泛用于物联网的应用开发。

此外,树莓派除了具备低功耗、移动便携性、GPIO 等特性,其最突出的特点就是具有强大的拓展能力。 它不仅可以替代电脑进行日常基本工作,也可以作为开发者的原型机使用,极大地降低了用户的采购成本和使用成本[3]。

近年来,随着智能硬件概念的兴起和互联网+、智慧城市、物联网等的发展,树莓派在为不同年龄和背景的人们打开编程世界之门的同时,它的适应性、稳定性和低廉的价格也让其成为电动汽车、物联网或自动化流水线等应用场景的理想选择,可以满足不同用户的多样化需求,未来市场前景广阔。

1.2.2 温湿度检测模块

温湿度检测模块使用的温湿度传感器是DHT11传感器。 DHT11 湿度测量范围为20%~90%RH,测量精度为±5.0%RH。 该传感器使用了包括采购技术在内的新技术——数字模块和温度湿度传感器技术,稳定性较好。 同时,该传感器的尺寸小,功耗很低,比较适合在各种高要求以及极端的环境内工作。

与此同时,该传感器是4 引脚单排引脚封装,安装操作便捷,连接简单,且本身还具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点,单线制串行接口也使得系统集成变得简易快捷;DHT11 传感器的超小体积、极低功耗的特性,使其信号传输距离可达20 m 以上,成为各类复杂应用场合的最佳选择。

此外,该传感器可以产生比较准确的数据信息,并且有着电阻式湿度感测元件和Nic 温度测量元件,具有质量高、速度快、抗干扰强、性价比高等优势。

1.2.3 光照检测模块

该系统通过外接光照检测传感器来判定植物所处环境的光照强度。 当所处环境光照过强便自动关闭补光灯;当所处环境光照较弱时便自动开启补光灯[4]。 另外,该系统也可以进行人工干预是否开启补光灯。

光照检测采用了PCF8591 器件。 PCF8591 器件具有4 个模拟输入、1 个模拟输出和1 个串行I2C 总线接口。 PCF8591 的3 个地址引脚A0,A1 和A2 可用于硬件地址编程,允许在同个I2C 总线上接入8 个PCF8591 器件,而无需额外的硬件。 PCF8591 上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

1.2.4 土壤湿度检测模块

土壤温湿度影响着植物的生长、发育和土壤的形成,且土壤湿度还决定了植物的水分供应状况。 因此,人们在养护家庭植物时,只有及时观测土壤湿度参数,才能让植物更好地生长。 本设计应用电容式土壤湿度检测传感器模块进行检测。 当土壤湿度降低时,该系统可以自动进行水泵抽水或是人工干预进行水泵抽水[5]。

与其他电阻式传感器相比,本设计采用了新款电容式土壤湿度传感器,利用电容感应原理检测土壤湿度,可以解决电阻式传感器易被腐蚀的问题,极大地延长了使用寿命。

1.2.5 酸碱值检测模块

家庭中花草植物所处环境较为稳定,一般状况下酸碱值的变化并不大,因此,引起家庭绿植酸碱值变化的主要还是对绿植的一些干预操作,尤其是施肥、喷洒营养液等。 本设计的酸碱值测定主要体现在监测营养液的酸碱值,并适时以水泵抽水与喷洒等相关操作来改变家庭绿植的酸碱度。

1.2.6 继电器模块

继电器根据某种输入信号的变化来接通或断开控制电路,实现自动控制和保护电力拖动系统的电器。 输入的信号可以是电压、电流等电量,也可以是转速、时间、温度和压力等非电量。 继电器通过接触器或其他电器对主电路进行控制。

当外接的传感器获取数据后,树莓派将处理这些数据并将其上传至云服务器进行记录。 人们在电脑端或手机端可以获取这些数据,同时树莓派会根据这些数据决定是否控制继电器进而控制水泵浇水[6]。

本设计结合实际,为实现浇水、喷洒营养液与农药等操作,采用了3 路5 V 继电器对水泵进行自动控制。 该继电器采用贴片光耦隔离,驱动能力强,性能稳定。 模块可以通过跳线设置高水平或低水平触发以及容错功能,即控制线断开,继电器也不会触发动作。

2 系统软件设计

2.1 软件运行环境的搭建

2.1.1 树莓派系统的选择

由于树莓派4 代B 开发板未搭载出厂系统,因此,首先要安装自己需要的操作系统,如Windows,Andriod,iOS,Linux 等。 因为Linux 的开源具有内核小、可移植的特点,所以本设计采用Linux 作为树莓派的操作系统。

2.1.2 树莓派配置VNC

VNC 的安装是利用SSH 连接树莓派后直接安装,其命令为:sudo apt-get install tightvncserver,安装后对其进行配置开机启动项。

2.2 软件运行功能

2.2.1 移动端App

Home Assistant(HA)是一款基于Python 的智能家居开源系统,支持众多品牌的智能家居设备。 它可以轻松实现设备的语音控制、自动化、群组化、UI 客制化等高度定制化设置。 Home Assistant 运行在Python 3.5.3 及以上环境下,一般而言,符合Python运行条件的系统皆可安装Home Assistant。

电脑热点可以直接看到链接上的设备IP,不需要使用IP 扫描器;手机热点需要使用局域网IP 扫描器,扫描IP 地址,首先让笔记本电脑连接热点,然后查看笔记本电脑IP,带有Raspberry 字样的就是树莓派的IP 地址。

首先,在树莓派官网下载树莓派镜像,之后下载镜像烧写工具Etcher,将TF 卡接入电脑。 其次,修改根目录boot 下的wpa_supplicant.conf 文件,填写无线网SSID 和密码。 最后,插卡启动树莓派,镜像默认开机联网状态下将自动联网下载安装Home Assistant。安装需要一定时间,安装成功后Home Assistant 将自动启动。 安装成功后,用户打开浏览器输入“树莓派IP:8123”就可以访问Home Assistant 的前端界面了。

2.2.2 SSH 工具

Secure Shell(SSH)由 IETF 的网络小组制定,为建立在应用层基础上的安全协议。 SSH 是比较可靠、专为远程登录会话和其他网络服务提供安全性的协议。 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中出现的信息泄露问题。 SSH 最初是UNIX 系统上的一个程序,后来又迅速扩展到其他操作平台。 SSH 在正确使用时可弥补网络中的漏洞。 SSH 客户端适用于多种平台,几乎所有UNIX 平台包括HP-UX,Linux,AIX,Solaris,Digital UNIX,Irix 等都可运行SSH[7]。

PC 端和树莓派的通信也可以选用SSH 的方式,只需要将树莓派的网络和PC 端的网络连入同一局域网即可。 本次设计采用的SSH 工具是Putty,当需要通信的时候,只需要在Putty 的登录界面输入树莓派的IP 地址即可进入,如图1 所示。

2.2.3 云端服务器

Ubuntu 是一款基于Debian Linux 的以桌面应用为主的操作系统,内容涵盖文字处理、电子邮件、软件开发工具和Web 服务等,可供用户免费下载、使用和分享。 本设计以Ubuntu 为云端服务器对相关数据进行传输[8]。

树莓派联入网络后,将检测到的植物所处的环境温湿度和环境光照强度等数据上传至云端并形成日志,用户可以随时通过移动端对日志进行查看或分析,并通过访问树莓派实时监控画面。

2.2.4 程序的编写和配置

运用Python 语言开发树莓派。 研究人员在PC端安装好Python 语言的IDLE 后,先进行程序的编写和编译,当编译无误生成可执行文件后再通过Linux系统的指令将可执行文件复制到树莓派[9]。 最后再将调整各类参数的配置文件复制到树莓派即可。 配置文件是用来修改系统参数的,如温湿度最优区间的改变就是在配置文件里修改参数即可。 通过SSH 的方式开启树莓派摄像头文件的启动命令为:sudo motion。

3 系统搭建及测试

本系统的主体由树莓派平台及其外围模块(温湿度传感器、摄像头等)组成。 系统以树莓派为中心控制器,进行网络信息的传输,并处理各外围模块采集到的信息。 各外围模块分别进行各类信息的检测:温度传感器检测植物所处的环境温度;湿度传感器检测植物所处的环境湿度;光照强度传感器用来检测植物所受到的光照强度;摄像头模块进行识别病虫害与实时监控等操作。

3.1 温湿度检测功能测试

由于测试设置了温湿度区间,经测试当实际温湿度超出设置温湿度区间时,系统将操控继电器驱动水泵进行调整,也可进行人工选择干预。

3.2 酸碱值检测功能测试

当植物所处环境的酸碱值过低或过高时,系统将自动驱动继电器进行施肥与喷水操作来调整酸碱值在合理的区间范围内。

3.3 光照监测功能实测

当周围环境光照降低时,系统会成功自动触发补光灯,如图2 所示。

图2 实测功能

3.4 害虫图像识别测试

系统使用害虫图片来进行模拟图像识别。 自动识别到害虫以及大致种类后,显示系统自动启动喷洒杀虫剂。

3.5 云端查看历史数据图

系统将温湿度和害虫识别等测试数据上传云端并保存,用户通过PC 端或手机端查看。

4 结语

本文基于树莓派并结合传感器技术设计了一款智能家庭花草养护系统,该系统使用多种传感器实现对环境温湿度、环境光照强度、酸碱值等数据进行采集,使用摄像头实现对现场环境的实时准确监控。 该系统以目前物联网开发中比较流行的树莓派4 代B开发板为控制核心,该树莓派集 Web 服务器、数据库、控制系统于一体,便于后期的维护与管理,并且体积小,安装简便,云服务器远程监控。 整个系统使用Python 编程语言进行编写,使用云端服务器和App 进行监控提示和数据的通信,具有简单轻便的优点。 整个系统运行流畅,在家庭绿植养护上具有良好的实用价值。