英特爾 Quark 開發者俱樂部——你造屌絲的后花園是怎么打理的嗎？

本文旨在介紹一種創新型的智能物聯網科技來幫你管理園林。使用此系統能夠消除園林管理的麻煩，并且操作起來十分便捷，它簡單易懂，任何人都可以使用它去種植自己想要的植物果蔬。在這個系統的幫助下，主人只需要通過手機和網站接口在室內進行遙控，在它的幫助下，種植這件事是不是變得更加簡單，有趣，且互動性強。系統會幫你給植物澆水，施肥，并且確保它們能享受24/7全天候最佳生長環境。你只需要坐回沙發，看著你的植物茁壯成長，相信它們會被好好照看。

系統運用一系列的傳感器和執行器為植物創建良好的生長環境，在它們需要的準確時間為它們澆水、施肥。

設置將會和我們手機上的APP和網頁應用相連接，因此你可以隨時了解植物的生長動態。系統可以追蹤監測植物的成長，分析它們的生長過程。你還可以借助系統在植物上做一些商業性的實驗。

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系統如何工作？

你造屌絲的后花園是怎么打理的嗎？

此項目包含4個部分：

1.植物生長環境—植物上的一系列傳感器和執行器，由英特爾愛迪生控制。愛迪生與云的連接由Node.js伺服器控制。

2.安卓APP和網頁應用—控制、監測植物生長數據，進行系統設置。

3.實時云支持后端—愛迪生、手機應用程序和網頁通過i.e. Firebase連接到云后端，我們的設計中沒有任何中間層，它是一個雙層的架構。

4.社交分享—你可以把你的種植經歷再社交媒體上分享給你的好友。

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特性

英特爾愛迪生將被用來實現數據獲取，將從植物及其周邊獲取的所有數據收集起來，進行處理，再實時地發送給服務器。系統將對環境溫度、光照以及濕度等參數進行監測，使用的傳感器有光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器。

我們為系統設置了一個簡易的繼電器，用它來控制植物周圍的光照、水量和溫度狀況，一旦數據被服務器接收，它會被進一步處理，最后以圖表的形式呈現所有參數。

基于瀏覽器的微型網站和安卓應用程序將包括以下幾個部分：

1.監測功能；

2.預置控制；

3.手動設置；

4.分享功能；

5.通知功能；

6.快照。

你可以用以下兩種方式控制系統：1）自主操作；2）預置

跟蹤進度：監視植物當前的生長狀況和生活條件，以圖表形式呈現；

點擊和成長：只要你告訴程序你希望植物長大，植物就會自動加載編程，為你的植物工廠進行設置。

分享：當你按下鳴叫按鈕，你就可以把你家小園子的健康和生活狀況發布到Twitter賬戶上去啦。

報警：當任何值不在最佳范圍內的時候，系統將會報警。

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物料準備

你造屌絲的后花園是怎么打理的嗎？

開發板：

英特爾愛迪生板；

傳感器：

1.濕度傳感器；

2.LM 35溫度傳感器；

3.光敏傳感器；

4.水流傳感器；

執行器：

1.吹風機；

2.6W RGB LED；

3.馬達；

4.USB攝像頭；

5.12V 繼電器板；

其他：

1.桶；

2.植物；

3.管子；

4.剪刀；

5.焊錫槍；

6.膠槍。

4

傳感器和執行器

光傳感器

此傳感器被用來監測植物周圍的光照是否在最佳值范圍之內，更有甚者，它還能進行時鐘同步，例如日出和日落。它會一直監控著光照情況，一旦發現問題，立刻報警。

溫度傳感器

溫度傳感器監測植物周圍的溫度，根據不同的模式，它會調節溫度，來效仿植物生長的最佳條件。

濕度傳感器

顯示濕度等級，并觸發土壤中的水泵，給植物澆水。

水流傳感器

它測量水流，基于測量數據提供植物的水流消耗。

USB攝像頭

我們可以用它來抓拍植物成長過程的照片，做一個記錄。

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硬件終端

英特爾愛迪生是整個系統的核心，它可以完成以下功能：

1) 收集數據；

2) 執行命令；

3) 拍照；

4) 將數據發送至云；

技術方面：

1） Node.js伺服器；

2） OpenCV代碼；

3） Arduino草圖；

4） MQTT。

注：

①　Node.js是一個基于Chrome JavaScript運行時建立的平臺，用于方便地搭建響應速度快、易于擴展的網絡應用。

②　OpenCV的全稱是：Open Source Computer Vision Library。OpenCV是一個基于（開源）發行的跨平臺計算機視覺庫。本文中的“OpenCV”均指此含義。

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軟件流程

在我們的設置當中，客戶端應用程序并不會直接與植物進行交流，每一步的處理工作都是通過云來完成，因為只若是將系統與WiFi連接起來，僅僅實現了物聯網中的聯網。

Arduino草圖

Arduino的草圖實現包含傳感器的數據采集和指揮執行的邏輯?？蛻舳耸褂谜f明由網站服務器接收，接著使用MQTT協議與Arduino交流。

什么是MQTT？

MQTT是MQ Telemetry Transport的縮寫，表示MQ遙測傳輸。它是一種具有發布/提交功能的極輕便的信息協議，此協議專門針對受限設備而設計，適合低帶寬、高延遲、網絡狀況差的情況。設計原則是盡量減少對網絡帶寬和設備資源的需求，同時試圖確?？煽啃?，并且在一定程度上確保能夠發送。這些協議規則在平時的使用中被證明能夠使新興的“機器對機器”的連接變得順暢，針對移動端應用的帶寬和電池電量都有改善作用。

Node.js伺服器

Node.js伺服器只能在英特爾愛迪生上運行，它能夠實時得和云后端保持連接，設計亮點在于我們為GreenBit系統采取兩層架構，而非傳統的三層架構。

Node.js有四項主要職責：

1) 實現與云的實時連接：此連接使用FireBaseApi實現，Api基本上能讓我們對某些參數進行一系列的監控，一旦這些值有任何的變化，系統將會立即發送到客戶端；

2) 點擊圖片上的OpenCV：每當接收到植物“自拍”請求時，Node.js伺服器就執行OpenCV模塊，這需要先拍一張照，然后將它以Base64編碼格式儲存在系統文件中。節點服務器將讀取該文件，然后以編碼的形式向伺服器傳送圖像；

3) 每一分鐘收取一次記錄：以一分鐘為節點，系統要求Arduino讀取并且將它傳送到MQTT上的節點；

4) 調用執行器：從APP上獲取請求，例如改變參數或參數值，照相等等，都傳達給Arduino。

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伺服器代碼

// Include all modules required in your server

var Firebase = require('firebase');

var mraa = require("mraa");

var fs = require('fs');

// Create a new Firebase Reference object with your Firebase application url

var firebaseRef = new Firebase('.firebaseio.com');

//Initialize values

var currentSettings = null;

var pushedSettings = null;

/********** Trigger message sending interrupt every 20 seconds *************/

var notifier_pin = new mraa.Gpio(5);

notifier_pin.dir(mraa.DIR_OUT);

// IPC to read data from Arduino Sketch ()example content: 123|45|200|....|0)

//Subscribe to interrupt notifications from Arduino

var subscriber_pin = new mraa.Gpio(1);

subscriber_pin.dir(mraa.DIR_IN);

subscriber_pin.isr(mraa.EDGE_RISING, subscriberEvent);

//Attach change event listener on Firebase currentSettings value

// Everytime the currentSettings value changes the callback will be executed.

// Ref: https://www.firebase.com/docs/web/api/query/on.ht...

firebaseRef.child('currentSettings').on('value', function(dataSnapShot){

// Get the new settings

var data = dataSnapShot.val();

// Set the updated settings in pushed settings

pushedSettings = data;

//If the lightState is true then we need to switch on the otherwise vice versa

if(data.lightState)

data.lightState = '1';

else

data.lightState = '0';

//Now we need to pass currentSettings value to Arduino to take appropriate action

//Since arduino cannot understand Node object we will create a concatenated string with values //and pass it to Arduino using MQTT

fs.writeFileSync("/home/root/ipc_codes/js_notification_out.txt", "NodeJS: "

+ arduinoSettingStr ing + "\n");

// Notify all the subscribers of the MQTT broker

notifyWorld();

});

//Fire event to notify all subscribers

function notifyWorld() {

notifier_pin.write(1);

setTimeout(function(){

notifier_pin.write(0);

},100);

}

// Subscribe event of Node server

// This event is called when data is sent from Arduino to Node over MQTT

function subscriberEvent() {

var arduinoSettingString = fs.readFileSync('/home/root/ipc_codes/arduino_notification_out.txt') .toString();

currentSettings = arduinoSettingString.split('|');

// In case tweet setting is true then send a tweet through firebase

// This setting is true whenever person touches the Tweet touch sensor

if(currentSettings[currentSettings.length -1] === '1')

{

var tweet = 'Temperature: '+ currentSettings[0] +' DEG | Moisture: '+ currentSettings[1] +' PPM | Light:'+ currentSettings[2]+ ' LUX';

firebaseRef.update({Tweet : tweet});

}

//Add a new entry in logs

firebaseRef.child('logs').push({

temperature: currentSettings[2],

moisture: currentSettings[1],

light: currentSettings[0]

});

}

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OpenCV伺服器

//Opencv node server for sending Images

var Firebase = require('firebase');

var fs = require("fs");

var firebaseRef = new Firebase('https://greenbit.firebaseio.com');

var image_original = "/home/akshay/Desktop/IoT/images/sepia.jpg";

//Attach watcher on snap value in firebase

//This value is set to True everytime a snap request comes from the App or web-app

firebaseRef.child('snap').on('value',function(snapShot){

var value = snapShot.val();

// If there's a snap request

if(value){

fs.writeFile("/home/akshay/Desktop/IoT/write.txt", "D", function(err) {

if(err) {

return console.log(err);

}

console.log("The file was saved!");

func();

});

// Wait for two seconds because opencv will click the photo and save it in a file

setTimeout(function(){

//Read the file from the saved location

fs.readFile(image_original, function(err, original_data){

//Get the string

var base64Image = original_data.toString('base64');

//Add a new snap in Snaps array in Firebase

firebaseRef.child('snaps').push(base64Image);

});

firebaseRef.child('snap').set(false);

}, 2000);

}

});

fs.readFile(image_original, function(err, original_data){

var base64Image = original_data.toString('base64');

console.log(base64Image);

});

//Execute Opencv

var exec = require('child_process').execFile;

fs.writeFile("/home/akshay/Desktop/IoT/write.txt", "C", function(err) {

if(err) {

return console.log(err);

}

console.log("The file was saved!");

func();

});

// start the server

var func = function(){

console.log("Server starts!!");

exec('/home/akshay/Desktop/IoT/laptop', function(err, data){

console.log(err);

console.log(data);

});

}

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Arduino草圖

// Arduino sketch

#include

#include "rgb_lcd.h"

rgb_lcd lcd;

// make some custom characters:

byte heart[8] = {

0b00000,

0b01010,

0b11111,

0b01110,

0b00100,

0b00000

};

byte smiley[8] = {

0b00000,

0b01010,

0b00000,

0b10001,

0b01110,

0b00000

};

byte armsDown[8] = {

0b00100,

0b01010,

0b00100,

0b01110,

0b10101,

0b00100,

0b01010

};

byte armsUp[8] = {

0b00100,

0b01010,

0b00100,

0b10101,

0b01110,

0b00100,

0b01010

};

// Defining Macros

#define DEBUG 1

// Analog Pins Definition

const int light = 0;

const int temp = 1;

const int moisture = 2;

const int waterFlow = 3;

// Digital Pins Definition

const int touch = 2;

const int bulbRelay = 4;

const int fanRelay = 7;

const int pump = 8;

const int ledPin = 13;

//IPC pins

int notifier_pin = 3;

int js_subscriber_pin = 6;

FILE *fromarduino, *toarduino;

int i = 0;

int c;

// Timer

unsigned long timeOut = 0;

bool newdata = false;

int showType = 0;

int mapLight;

int mapTemp;

int mapMoisture;

String lightString;

String tempString;

String moistureString;

int B = 3975;

char charVal[10];

char ipcString[200];

//Touch Bool

boolean touchStarted = false;

boolean tweetState = false;

String plantName = "";

String lightState = "";

char *incomingString;

char *splitVal;

String input = "";

int counter = 0;

int lastIndex = 0;

const int numberOfPieces = 6;

String pieces[numberOfPieces];

// Funtion to print error

void printError(char *str)

{

Serial.print("Error: ");

Serial.println(str);

}

void setup()

{

Serial.begin(115200);

pinMode(light, INPUT);

pinMode(temp, INPUT);

pinMode(moisture, INPUT);

pinMode(waterFlow, INPUT);

pinMode(bulbRelay, OUTPUT);

pinMode(fanRelay, OUTPUT);

pinMode(pump, OUTPUT);

pinMode(ledPin, OUTPUT);

pinMode(notifier_pin, OUTPUT);

pinMode(js_subscriber_pin, INPUT_PULLUP);

// set up the LCD's number of columns and rows:

lcd.begin(16, 2);

lcd.clear();

lcd.setRGB(0, 255, 0);

lcd.createChar(0, heart);

lcd.createChar(1, smiley);

lcd.createChar(3, armsDown);

lcd.createChar(4, armsUp);

lcd.setCursor(0, 0);

lcd.write(4);

lcd.setCursor(4, 0);

lcd.print("GREENBIT");

lcd.setCursor(14, 0);

lcd.write(4);

digitalWrite(bulbRelay, HIGH);

digitalWrite(fanRelay, HIGH);

//Interrupts Initialization

attachInterrupt(touch, touchTweet, CHANGE);

attachInterrupt(js_subscriber_pin, subscriberEvent, RISING);

delay(10);

}

void loop()

{

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print(plantName);

// lcd.write(3);

// delay(10);

// lcd.write(4);

// delay(10);

int setTemp, setLight, setMoisture;

if(timeOut == 0)

timeOut = millis();

if ((millis()-timeOut) >= 1000)

{

Serial.println("Test");

mapLight = analogRead(light);

mapTemp = analogRead(temp);

mapMoisture = analogRead(moisture);

//Light processing

mapLight = map(mapLight, 0, 800, 0, 100);

//Temperature processing

float floatTemp = (float)(1023-mapTemp)*10000/mapTemp;

int tempCelsius=1/(log(floatTemp/10000)/B+1/298.15)-273.15;

String lightString = String(mapLight);

String tempString = String(tempCelsius);

String moistureString = String(mapMoisture);

Serial.print(tempCelsius);

Serial.print(mapLight);

Serial.println(mapMoisture);

String finalString = tempString + "," + moistureString + "," + lightString;

finalString.toCharArray(ipcString, finalString.length()+1);

Serial.println(ipcString);

publishData();

notifyWorld();

delay(100);

timeOut = millis();

}

//Temperature control

if(mapTemp > setTemp)

{

do

{

digitalWrite(fanRelay, HIGH);

}while(mapTemp < (setTemp - 5));

}

else if(mapTemp < setTemp)

{

do

{

digitalWrite(fanRelay,LOW);

}while(mapTemp < (setTemp + 5));

}

//Light Control

if(lightState == "0")

{

digitalWrite(bulbRelay, LOW);

}

else

digitalWrite(bulbRelay, HIGH);

//Moisture and Motor Control

if(mapMoisture > setMoisture)

{

do

{

digitalWrite(pump, HIGH);

}while(mapMoisture < (setMoisture - 5));

}

else if(mapMoisture < setMoisture)

{

digitalWrite(pump,LOW);

}while(mapMoisture < (setMoisture + 5));

}

//loop ends

//ISR

void touchTweet()

{

digitalWrite(ledPin,HIGH);

if(mapTemp < 20)

{

tweetState = 1;

lcd.setRGB(200, 0, 0);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.write((unsigned char)0);

lcd.setCursor(3, 1);

lcd.print("I AM SAD");

}

else

{

tweetState = 0;

lcd.setRGB(0, 200, 0);

lcd.setCursor(0, 1);

lcd.print("Light: ");

lcd.print(mapLight);

for (int positionCounter = 0; positionCounter < 13; positionCounter++)

{

// scroll one position left:

lcd.scrollDisplayLeft();

delay(150);

}

lcd.setCursor(2, 1);

lcd.print("I");

lcd.setCursor(4, 1);

lcd.write((unsigned char)0);

lcd.setCursor(6, 1);

lcd.print("GREENBIT");

}

Serial.println("Touch Detected!!!");

}

//Read message from js notification file

void subscriberEvent() {

toarduino = fopen("/home/root/ipc_codes/js_notification_out.txt","r"); //Opening message from JS

if (toarduino)

{

while ((c = getc(toarduino)) != EOF)

{

if(c != 10)//new line

{

Serial.print((char)c);

}

Serial.println("");

Serial.println("----------------");

fclose(toarduino);

}

void publishData()

{

fromarduino = fopen ("/home/root/ipc_codes/arduino_notification_out.txt", "w+");

fprintf(fromarduino, "[%s]", ipcString);

fclose(fromarduino);

}

//Nofity any body connected to this interrupt (C++ program and NodeJS) program

void notifyWorld()

{

digitalWrite(notifier_pin, HIGH);

delay(100);

digitalWrite(notifier_pin, LOW);

}

//Print data on Serial monitor and to adjust the sensor values upto 3 digits

void print_data(int val)

{

int new_val;

if(val<0)

new_val = 0;

else if(val>255)

new_val=255;

else new_val = val;

if(new_val<10)

{

Serial.print(0);

Serial.print(new_val);

}

else if(new_val>=10 && new_val<100)

{

Serial.print(0);

Serial.print(new_val);

}

else

Serial.print(new_val);

}

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OpenCV 模塊

//OpenCV code to click images in multiple formats

// like Sobel, Blur, Sepia etc

#include iostream

#include opencv2/opencv.hpp

#include opencv2/highgui/highgui.hpp

#include opencv2/core/core.hpp

#include opencv2/imgproc/imgproc.hpp

using namespace std;

using namespace cv;

int main ()

{

// local variable declaration:

char parameter;

cout << "Enter the parameter: ";

cin >> parameter;

// image variables

int width = 640;

int height = 480;

Mat capImg;

Mat grayImg; //Gray Image

// Sobel Image

Mat sobleGrayImg;

Mat sobelImg;

Mat grad_x, grad_y;

Mat abs_grad_x, abs_grad_y;

int sscale = 2;

int sobelDelta = 0;

int ddepth = CV_16S;

// Blur Image

Mat blurImg, blurGrayImg;

// SEPIA IMAGE

Mat sepiaImg;

Mat_ sepia(3,3);

// Canny Image

Mat cannyImg;

int threshold1 = 1;

int threshold2 = 150;

// Laplace Image

Mat laplaceImg;

Mat src_gray, dstImg;

int kernel_size = 3;

int lscale = 1;

int laplaceDelta = 0;

int c;

// Canny Blur Image

Mat cblurImg, cb_grayImg;

// Pattern Image

Mat dst, cir;

Mat cir_32f, dst_32f;

int bsize = 8;

VideoCapture cap(-1);

if(!cap.isOpened())

{

cout<<"Cam Not opend..." << endl;

exit(-1);

}

cap.set(CV_CAP_PROP_FRAME_WIDTH, width);

cap.set(CV_CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, height);

cap >> capImg;

imwrite("/home/root/akshay/final/frame.jpg", capImg);

cap.release();

imshow("Color", capImg);

switch(parameter)

{

// COLOR IMAGE

case 'A' :

imwrite("/home/root/akshay/final/color.jpg", capImg);

imshow("Color Image", capImg);

break;

// GRAY IMAGE

case 'B' :

cvtColor(capImg, grayImg, CV_BGR2GRAY);

imwrite("/home/root/akshay/final/gray.jpg", grayImg);

imshow("Gray Image", grayImg);

break;

// SOBEL IMAGE

case 'C' :

GaussianBlur( capImg, capImg, Size(3,3), 0, 0, BORDER_DEFAULT );

cvtColor( capImg, sobleGrayImg, CV_RGB2GRAY );

// Gradient X

Sobel( sobleGrayImg, grad_x, ddepth, 1, 0, 3, sscale, sobelDelta, BORDER_DEFAULT );

// Gradient Y

Sobel( sobleGrayImg, grad_y, ddepth, 0, 1, 3, sscale, sobelDelta, BORDER_DEFAULT );

convertScaleAbs( grad_x, abs_grad_x );

convertScaleAbs( grad_y, abs_grad_y );

addWeighted( abs_grad_x, 0.5, abs_grad_y, 0.5, 0, sobelImg );

imwrite("/home/root/akshay/final/sobel.jpg", sobelImg);

imshow("Sobel Image",sobelImg);

break;

// SEPIA IMAGE

case 'D' :

sepia << 0.131, 0.534, 0.272,

0.168, 0.686, 0.349,

0.189, 0.769, 0.393;

cv::transform(capImg, sepiaImg, sepia);

imwrite("/home/root/akshay/final/sepia.jpg", sepiaImg);

imshow("Sepia Image", sepiaImg);

break;

// CANNY IMAGE

case 'E' :

cvtColor(capImg, cannyImg, CV_BGR2GRAY);

Canny(cannyImg, cannyImg, threshold1, threshold2);

imwrite("/home/root/akshay/final/cannyImg.jpg", cannyImg);

imshow("Canny Image",cannyImg);

break;

// LAPLACE IMAGE

case 'F' :

GaussianBlur( capImg, capImg, Size(3,3), 0, 0, BORDER_DEFAULT );

Laplacian( capImg, dstImg, ddepth, kernel_size, lscale, laplaceDelta, BORDER_DEFAULT );

convertScaleAbs( dstImg, laplaceImg );

imwrite("/home/root/akshay/final/laplace.jpg", laplaceImg);

imshow( "Laplace Image", laplaceImg );

break;

// CANNY BLUR IMAGE

case 'G' :

cvtColor(capImg, cb_grayImg, CV_BGR2GRAY);

Canny(cb_grayImg, cb_grayImg, threshold1, threshold2);

blur( cb_grayImg, cblurImg, Size(4,4) );

imwrite("/home/root/akshay/final/cblur.jpg", cblurImg);

imshow("Canny Blur Image",cblurImg);

break;

// Pattern Image

case 'H' :

dst = cv::Mat::zeros(capImg.size(), CV_8UC3);

cir = cv::Mat::zeros(capImg.size(), CV_8UC1);

for (int i = 0; i < capImg.rows; i += bsize)

{

for (int j = 0; j < capImg.cols; j += bsize)

{

Rect rect = cv::Rect(j, i, bsize, bsize) &

cv::Rect(0, 0, capImg.cols, capImg.rows);

Mat sub_dst(dst, rect);

sub_dst.setTo(cv::mean(capImg(rect)));

circle(cir, cv::Point(j+bsize, i+bsize), bsize/2-1, CV_RGB(255,255,255), -1, CV_AA);

}

cir.convertTo(cir_32f, CV_32F);

normalize(cir_32f, cir_32f, 0, 1, cv::NORM_MINMAX);

dst.convertTo(dst_32f, CV_32F);

vector channels;

split(dst_32f, channels);

for (int i = 0; i < channels.size(); ++i)

channels[i] = channels[i].mul(cir_32f);

merge(channels, dst_32f);

dst_32f.convertTo(dst, CV_8U);

imwrite("/home/root/akshay/final/pattern.jpg", dst);

imshow("Pattern Image", dst);

break;

}

return 0;

}

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軟件前端

技術堆棧

1）Ionic：( http://ionicframework.com/)

ionicionic是一個用來開發混合手機應用的，開源的，免費的代碼庫,專注于用WEB開發技術，是基于HTML5創建類似于手機平臺原生應用的一個開發框架。這個框架的目的是從web的角度開發手機應用，基于PhoneGap的編譯平臺，可以實現編譯成各個平臺的應用程序，可以優化html、css和js的性能，構建高效的應用程序，而且還可以用于構建Sass和AngularJS的優化。

2）AngularJS（https://angular.io/）

HTML是一門很好的為靜態文本展示設計的聲明式語言，但當我們試圖用它來制作網絡應用動態視圖時，它是不能夠實現的。AngularJS使用了不同的方法，它嘗試去補足HTML本身在構建應用方面的缺陷。AngularJS通過使用我們稱為標識符(directives)的結構，讓瀏覽器能夠識別新的語法。由此產生的環境是極富表現力的，可讀性強，發展迅速。

3）Angular Material（https://material.angularjs.org/）

Angular Material項目是Angular.js中的材料設計，以實現相應功能。這個項目提供了一套基于材料設計系統的可重復使用的、經過嚴格測試可訪問的UI組件。

12

軟件后端

你造屌絲的后花園是怎么打理的嗎？