1、2023年4月Apr.,2023第39卷第2期Vo l.39,No.2滨州学院学报Jo u rn a l o f Bin zh o u Un iv ersit y【工程与技术研究】基于物联网的阳台智能草莓种植系统吴殿红，周礼军(滨州学院信息工程学院，山东滨州256603)摘要：针对目前市面上的一些种植产話存在成本高、体积大、系统功能不完整、自动化程度 低等问题，采用物联网传感技术、图像识别技术、自动控制技术等，设计制作了基于物联网的阳台 智能草莓种植系统。该系统能对草莓植株生长状态进行监测，自动控温、浇水、补光等，实现了草 莓的轻量化、智能化、自动化种植。关键词：图像识别技术；树莓派；自动控制
2、技术；物联网中图分类号:TP 23 文献标识码：A DOI：10.13486/j.c n k i.1673-2618.2023.02.0160引言随着生活水平的不断提高，城市居民对绿色健康蔬果食品和生活品质的追求越来越高，阳台农业越来 越受到大家欢迎和追捧。国外家庭阳台种植设备已经趋于成熟，一些城市居民日常食用的蔬菜有很大一 部分是自家的阳台菜园供给。一些发达国家，如美国家庭阳台种植已经成为城市居民最喜爱的休闲活动 之一。从美国有机园艺杂志的报道知道，美国有超过40%成年人口非常喜欢在自家阳台种植蔬菜和各 种花卉;瑞典有65%的成年人会在阳台进行种植活动;在韩国和日本，城市居民把打造自己阳台花
3、园作为 一种潮流山。小花园不仅能满足城市居民亲近大自然、放松身心的需求，还能提供新鲜健康的蔬菜和水 果。日本属于科技比较发达的国家，由于领土面积小，所以通常采用智能化的种植产品来满足居民的家庭 阳台种植需要。我国阳台农业起步较晚，存在的问题较多：阳台种植相关基础理论研究薄弱，阳台狭小空 间种植局限性明显，国内种植产品智能化程度不高，新技术新产品价格高,城市居民缺乏专业农业知识、工 作忙碌、空闲时间少等。围绕现代化城市阳台农业的发展以及广大城市居民的实际需求，针对目前市面上 的一些种植产品存在成本高、产品体积大、功能不完整、自动化程度低等问题m,采用物联网技术、图像识 别技术、自动控制技术等设计
4、制作了基于物联网的阳台智能草莓种植系统，实现草莓种植的轻量化、智能 化、自动化,达到种植简单、食用安全的目的。1基于物联网的阳台智能草莓种植系统的设计1.1系统硬件结构设计如图1所示,树莓派3B+作为阳台智能草莓种植系统核心控制板，提供系统所需的计算能力与控制收稿日期:2022-06-16基金项目：滨州学院实验技术研究重点项目(BZXYSYXM202103)；滨州市社会科学规划项目(2021-SKGH-59)；教 育部协同育人项目(202102422024)第一作者简介:吴殿红(1979-),女，黑龙江龙江人，讲师，硕士，主要从事嵌入式物联网研究。E-ma il:w u d ia n h o
5、n g 163.c o m92第2期吴殿红，周礼军基于物联网的阳台智能草莓种植系统能力，配合广角摄像头实现图像采集与草莓病虫害监测。该核心控制板通过数据总线连接了温湿度传感 器、土壤湿度传感器、光照强度传感器，实现环境参数采集，采集的数据经过校准后被传输到树莓派，经 过处理后显示到LCD触控屏上。采集的环境数据为系统自动控制提供参考。全光谱补光灯、植株浇水水 泵、换气降温风扇等通过控制总线连接到树莓派3B+核心控制板，支持自动控制、手动控制与远程控制。系统电源采用直流5 V供电，功耗低的同时保证了系统的安全性。主控单元单独供电，保证了系统的稳定 性与可靠性。1.2系统软件功能设计系统的软件功能
6、共分为三个模块，分别为图片 监测模块、控制面板模块和通知消息模块。图片监 测模块主要包括草莓病虫害识别、草莓植株生长阶 段识别、草莓植株缺钙缺肥识别、草莓植株照片备 份、详细识别结果显示等功能。控制面板模块主要包括环境数据的显示与执 行单元的控制。草莓植株环境数据包括生长环境 温度、生长环境湿度、生长环境土壤湿度、生长环境 光照强度。执行单元包括浇水水泵控制滑块、换气 风扇控制滑块、植株补光控制滑块以及对应的智能 控制开关。通知消息模块负责打印系统消息，打印的消息 基于物联网的阳台智能草莓种植系统图1系统硬件结构图包括:草莓植株开花消息与建议、草莓植株结果消息与建议、草莓果实成熟消息与建议、草
7、莓植株缺肥提示 与建议、草莓植株缺钙提示与建议、草莓植株叶斑病提示与建议、草莓植株白粉病提示与建议等。还包括 了“一键已读”功能，点击此按钮可清空已读系统消息。2基于物联网的阳台智能草莓种植系统的实现2.1硬件详细设计实现系统硬件接线如图2所示,广角摄像头通过排线连接到树莓派3B+核心控制板的CSI接口。显示屏 连接到SPI接口，显示屏的分辨率为320 px X480 px,支持触摸控制。补光灯、浇水水泵、换气风扇分别连 接到MOS1、MOS2、MOS3,然后通过树莓派3B+核心控制板的GPIO23、GPIO24、GPIO25控制MOS 管，这种连接方式可以实现小电压控制高电压,且高低压分离，
8、使系统运行更加稳定可靠，支持实时PWM 调波控制。温湿度传感器为DHT11模块，通过GPIO27与树莓派3B+核心控制板完成数据交换。土 壤湿度模块通过PCF8591模块把模拟信号转换为数字信号，并与数字光照传感器一起挂载到树莓派 3B+核心控制板的C总线上，作为树莓派3B+核心控制板的两个从机设备，通过PC总线协议完成设 备的控制与数据的交换。2.2硬件模块详细介绍树莓派3B+：本系统采用的树莓派3B+是一个信用卡大小的电脑，使用Ra spbia n开源系统，自带 Pyt h o n 2与Pyt h o n 3,拥有HDMI显示接口、USB数据接口、3.5 mm音频接口、千兆网线接口、CSI
9、摄像 头接口、DSI显示屏接口、以及最重要的40个GPIO。摄像头:产品型号RER-USB13MO2,感光片为SONY IMX214C1/3），最高有效像素2840 px X2880 px,支持手动对焦。物距8 c m100 m,中心清晰度1000 LW/PH.支持自动曝光控制AEC、自动白平衡 AEB、自动增益设置AGC。供电电压DC5 V,电流200 mA。触控显示屏：显示屏使用3.5 in的LCD显示屏，使用SPI协议与树莓派进行通信，触控芯片 93 滨州学院学报第39卷XPT2046,屏幕分辨率320 px X480 px,支持亮度调节。温湿度传感器:传感器型号为DHT11,可同时采集
10、环境温度与湿度数据,采用单总线数字传输方式,包含校验位,具有较高的可靠性与长期的稳定性，该模块反应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。光照强度传感器:采用BH175O作为主要芯片.BH1750的内部由感光由光敏二极管、运算放大器和 ADC采集器等原件组成。根据光伏效应可知，进入光窗的光越强，光电流越大，电压就越大。芯片内部还 对采集的光照数据做了线性处理。设备通过C总线与主机交换数据。土壤湿度传感器:本系统采用电阻式的土壤湿度传感器，土壤湿度的变化表现为电阻的变化，当土壤 较为干燥时，土壤电阻趋于无穷大,而当土壤较为湿润时，电阻率将迅速降低，土壤湿度传感器把土壤的电 阻转换为电压输出，输出的
11、电压通过一个模数转换模块进行转换,然后通过PC总线把土壤湿度数据传输 到树莓派上。这样系统就可以获得此时的土壤湿度数据。LJ1触控显示屏 3V3 GND5V TO-SONC RSTTP-IRO LCD-SCK LCD-RS LCD-CS LCD-SI TP-CSSPI ND MISO GP1G6 SCLK EO _CE1+5V(PFCB5S1Al M3VCCGNDAINlSDAAIMaOut水泵VCC GND雾化片t39树 W3B+雪V5VSDAi 1SCL.L酬DGPEO?IX D-GNDRXDOFEOOGFJO1GPIO2GIWGPIO36PIO43.3VGPIO5MD5IGMDMESOG
12、PI0S-SCLKCEOGNDCE1SDA.OSCL.OGPE02LGr&GPIO鶉GPIO23GMDGPEO25GPLOKGP 土壤湿度检测V需器CC G AIS5IV图2系统硬件电路连接图2.3软件详细设计实现控制软件一共设计了三个界面,分别是图片监测界面、智能控制界面和消息通知界面。图片监测界面 设计了两个图片显示窗口，分别用于显示原图与识别后的图片，并设置了三个按钮，分别是“上传图片”“检 测图片”和“拍摄图片”。当点击“上传图片”后，界面会跳转到系统文件夹，选择图片后显示图片到界面上;点击“拍摄图片”，系统会快速拍摄一张草莓植株的照片,保存照片的同时会把照片显示到界面上;点击“开 始
13、检测”以后系统会开始检测图片，在右侧显示识别后的图片，在图片下侧显示文字结果，并根据结果发送 对应的建议到通知界面。智能控制界面分为两个模块：环境数据显示模块与设备控制模块。环境数据显示模块包括环境温 度数据显示、环境湿度数据显示、土壤湿度数据显示、环境光照强度数据显示。显示的数据每3 s自动刷 新一次。设备控制模块包括水泵状态与控制、风扇状态与控制、补光灯状态与控制。系统读取传感器数据 以后，根据数据来智能调整设备的运行状态与运行功率。系统支持滑块手动控制设备运行旳。消息通知界面包含一个消息显示框和一个按钮，按钮用于清空已读通知，当有新的消息时，系统会追 加到此界面，点击按钮清空已读消息。消
14、息内容包括:草莓开花提醒与建议、草莓结果提醒与建议、草莓成 94第2期吴殿红，周礼军基于物联网的阳台智能草莓种植系统熟提醒与建议、草莓生病提醒与建议、草莓缺肥提醒与建议等共7种类别。2.4远程管理设计实现远程管理与控制功能使用An d ro id平台编写的App实现，主要功能与本地控制功能类似，包括草莓 植株实时查看、生长状态提醒、定时浇水、定时补光、定时换气等功能，手机App与系统使用MQTT协议 进行数据转发，使用阿里云物联网云平台转发设备数据，实现设备的远程管理功能。3基于物联网的阳台智能草莓种植系统的运行3.1系统功能测试图片监测功能测试:点击“拍摄图片”按钮，系统快速启动摄像头拍摄草
15、莓植株图片，并把图片显示到 界面左侧，点击“检测图片”，设备会调用检测模型对图片进行检测，并把检测后结果显示到触控屏上。系 统默认每天会拍摄三张图片进行检测，并会自动保存图片与检测结果，拍摄的植株图片会保存到系统目录 下,掉电不丢失。系统完成一轮检测耗时约5 s。自动控制功能测试：自动浇水测试，当设备在自动控制模式下，且检测到土壤湿度小于10%时，系统 默认为土壤湿度传感器没有正确安装，此时水泵关闭；当湿度大于10%,且小于草莓生长的最佳湿度40%时，系统会认为草莓植株缺水，水泵开启；当土壤湿度大于70%时，系统认为浇水完成，系统会自动关闭水 泵。自动补光测试，系统检测到当前环境光照强度不足以
16、满足草莓植株的正常光合作用时，自动开启植物 补光灯为植株进行补光。补光的同时,系统会比对系统时间，当前时间为夜间时，系统补光关闭。如果当 前时间为白天，且光照强度超过10 000 l x时，系统会认为环境光线可以满足植株的正常生长，系统关闭补 光灯。自动降温测试，当系统检测到当前环境温度高于25匸时，系统自动打开换气风扇与雾化器，通过水 分蒸发带走多余热量，为草莓植株进行降温，当温度降低到25 C以下后，风扇与雾化器关闭。3.2系统实物图展示图3为系统实物图，包括树莓派3B+、触控屏、温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器、浇 水水泵、降温风扇、雾化器、全光谱补光灯、广角摄像头、储水箱等。树莓派3B+作为核心控制板,提供系 统需要的算力，触控屏显示系统界面、图片检测结果、传感器数据、系统消息等，可以通过触控面板对系统 进行操作。温湿度传感器、土壤湿度传感器、光照强度传感器负责环境数据的采集，浇水水泵、全光谱补光 灯、降温风扇分别为草莓植株进行自动浇水、自动补光、自动降温等操作。广角摄像头与补光灯一起安装 到白色支架上，广角摄像头负责检测图片的采集，储水箱负责储水，当检测到植株缺水