基于树莓派的菊花温室监测-优快云博客

基于树莓派和物联网的菊花栽培温室区域在线监测系统

菊花（ Chrysanthemum morifolium ）是一种具有重要商业价值的观赏植物，全球广泛种植。它是世界顶级切花和盆栽植物之一。菊花因其独特的美学魅力和作为世界第二大最重要的药用花卉（仅次于玫瑰）而备受重视。菊花花朵的质量通常根据其颜色来评估。菊花的花序通常呈黄色或绿色、紫色、绿色、红色、粉色、橙色和白色。一般来说，菊花植株在海拔700-1500米的地区生长良好。菊花原产地中国和日本的最佳生长温度为18-25°C。而在热带地区印度尼西亚，最佳温度为23-25°C。菊花种植时所需的湿度为70%-75%，而在育苗和开花期则为80%-90%。光合作用过程中菊花植株所需的理想CO₂浓度为500-800 ppm。良好的菊花栽培基质是砂质壤土，密度为0.3-0.5 g/cm³，总孔隙度为40%-60%。栽培基质的理想含水量范围为40-60%，孔隙中空气含量为10-20%，溶解盐浓度为1-1.2 dS/m，pH值约为6.5-7.5。这种条件可以通过在苗床中改良栽培基质并设置带有施肥系统的灌溉系统来实现。菊花是一种短日照植物，也称为短光周期植物。短日照植物是指当日长短于其临界极限时进入生殖阶段的植物。通过控制菊花的光周期，可以使其全年持续栽培。

如果在温室中种植，菊花生长条件可以得到最优满足，从而使菊花植株的生长最大化。如果传统种植，会出现若干问题，例如：难以设定菊花所需的温度和湿度；浇水过程效率低下，尤其是在大面积土地和温室中，因为这需要大量劳动力，并且每株植物的用水量无法得到良好控制；有时营养供给在剂量/营养方面并非最佳，光照时间仍为手动操作，因此需要工作人员更加密集的关注。因此，有必要应用农业技术，结合嵌入式系统技术，以产生适合植物生长的最佳微气候。这有望减少诸如强光强度、雨水直接暴露、昼夜高温以及病虫害干扰等负面环境影响。

已经应用了多种温室监测技术，例如在研究中创建了一个使用LabVIEW的温室监测系统。通过该系统，可以获得实时的温度、湿度和光照强度传感器图形。同时，另一项研究使用了TPC-CACS（自动化植物控制系统）系统应用来提高作物生产力。通过使用TPC-CACS系统并基于物联网系统，菊花的存活率更高，花朵尺寸也更好。

菊花栽培温室监测系统

用于菊花栽培的温室监测系统使用三种类型的传感器，即温湿度传感器、土壤湿度传感器和光照强度传感器。温湿度传感器采用DHT11传感器。光照强度传感器使用GL5528。土壤湿度传感器使用连接至缓冲器的电极。ATMega328微控制器用于访问三个传感器的数据。一个0.28 KFHD LCD显示屏用于每5秒显示一次温度、湿度、土壤湿度和光照强度数据。

所有传感器数据均通过串行通信发送到树莓派设备。对于图像数据，使用分辨率为5 MP的Pi Camera。树莓派通过Wi-Fi模块连接到互联网。温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度以及分辨率为640x480的图像数据被发送到MySQL数据库。此外，还创建了一个网站来显示存储在MySQL数据库中的数据。图1是本研究中使用的系统方框图。

示意图0

在软件设计中，使用了三种编程类型，即微控制器编程（使用Arduino）、树莓派编程（Python）和网页编程（使用PHP）。微控制器用于访问DHT22数据、Lux传感器和土壤传感器。DHT22有两种类型的数据，即温度和湿度。三个传感器的数据然后组合成一个数据包，格式为 {温度=温度=土壤=流明=} 。数据包随后通过串行通信发送到树莓派。微控制器编程流程图如图2所示。

示意图1

树莓派将读取微控制器发送的数据。然后数据被拆分成三个传感器数据。当连接到互联网时，传感器数据每隔10分钟发送到MySQL数据库。来自Pi相机的图像数据每小时发送到数据库一次。编程流程图如图3所示。接下来，网站将以最新传感器值、图像和图表的形式显示来自数据库的数据。

示意图2

硬件与实施

设备的电源为PLN市电，电压为220 V / 50 Hz。电压进一步降低至5V直流电，使用适配器。为了防止停电造成的影响，树莓派和微控制器的电源配备了5V微型UPS。这个微型UPS将备份电源，使设备在市电中断期间能够继续工作。

电源、树莓派、微控制器和调制解调器放置在一个尺寸为30cm x 20cm x 15cm的塑料盒内。盒子内部安装了一个5V直流风扇，以保持树莓派的低温。这有助于树莓派以最高性能运行。树莓派设备连接到一个3G无线调制解调器。调制解调器配备有内置电池，因此即使在市电中断时也能工作。设备的整体布置如图4所示。

示意图3

微控制器和树莓派设备上的接线如表1所示。引脚布置基于所用传感器和显示器的通信特性。此外，监测设备放置在温室入口的一侧。在此位置，菊花植株完全可见于摄像头中。为了测量土壤湿度，传感器安装在植株生长的位置。目的是使设备能够监测土壤水分含量。土壤湿度传感器通过3米长的电线连接。监测设备在温室中的布置如图5所示。

表1 引脚映射

设备	ATMega-328	DHT22	Lux传感器	土壤湿度
引脚	D2, D3 (IC)	A0 (模拟输入)	A2, A3 (IC 红色状态)	AUX引脚
				Pi Camera

在设备安装于温室后，设备连续运行3小时。数据库设计为每小时存储一次数据，持续一周。这大约相当于每传感器168条数据（共522条数据，不包括图像数据）。图6是本研究中使用的数据库设置。

示意图4
菊花种植时所需的湿度为70%-75%，而在育苗和开花期则为80%-90%。光合作用过程中菊花植株所需的理想CO₂浓度为500-800 ppm。良好的菊花栽培基质是砂质壤土，密度为0.3-0.5 g/cm³，总孔隙度为40%-60%。栽培基质的理想含水量范围为40-60%，孔隙中空气含量为10-20%，溶解盐浓度为1-1.2 dS/m，pH值约为6.5-7.5。这种条件可以通过在苗床中改良栽培基质并设置带有施肥系统的灌溉系统来实现。菊花是一种短日照植物，也称为短光周期植物。短日照植物是指当日长短于其临界极限时进入生殖阶段的植物。通过控制菊花的光周期，可以使其全年持续栽培。