基于物聯(lián)網的食用菌大棚智能測控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘 要 ：食用菌大棚需要為食用菌提供合適的生長環(huán)境，針對當前傳統(tǒng)大棚生產模式存在的問題，我們設計了一種基于物聯(lián)網的食用菌大棚測控系統(tǒng)，以提高產量，減少人力物力的消耗。該系統(tǒng)借助ZigBee網絡實現(xiàn)。在單個大棚內的多個位置放置環(huán)境檢測終端節(jié)點，多個設備控制終端節(jié)點以及1個網關設備 ；網關設備通過ZigBee網絡實時收集來自檢測終端節(jié)點的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過MQTT協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)實時上傳至云服務器，之后將來自服務器的控制信息下發(fā)至設備控制終端節(jié)點。系統(tǒng)根據(jù)設定的最適生長環(huán)境參數(shù)對大棚環(huán)境進行智能化決策和調控，并為用戶提供設計APP與網頁，以及異常信息推送和設備控制服務，實現(xiàn)大棚的可視化自動管理。

0 引 言

食用菌產業(yè)是一項集經濟效益、生態(tài)效益和社會效益于一體的農村經濟發(fā)展項目，發(fā)展食用菌產業(yè)符合人們消費增長和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，是農民快速致富的有效途徑。我國雖然已逐漸成為食用菌生產的重要產地之一，但與國外食用菌的品質和產量相比還存在一定的差距，主要原因是食用菌生長過程中對不同環(huán)境因子的要求非常茍刻。所以，研究調控食用菌大棚環(huán)境因子影響其生長的理論和方法，是提升食用菌品質和產量的重點研究方向。

針對食用菌發(fā)展情況，本文利用物聯(lián)網技術與數(shù)據(jù)分析技術，設計了一套智慧食用菌大棚測控系統(tǒng)，以實現(xiàn)食用菌生長環(huán)境的自動控制和設備管理 [1-10]，提高食用菌大棚化種植產量，減少人力物力的消耗，增產增效。

1 系統(tǒng)需求分析與結構設計1.1 系統(tǒng)需求分析

食用菌大棚的環(huán)境具備以下特征 ：

（1）在特定的生長階段，環(huán)境參數(shù)相對穩(wěn)定 ；

（2）在特定的生長時間內，室內無光照或少量光照 ；

（3）具有能夠通風換氣、保溫、保濕的設備，環(huán)境控制設備較多(燈、風機、加濕器、窗簾、遮陽系統(tǒng)等）。

針對上述特點,要實現(xiàn)食用菌大棚測控系統(tǒng)需要滿足以下條件 ：

（1）用有能夠測量大棚光照強度、溫度、濕度、CO2等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測模塊 ；擁有能夠控制燈、風機、加濕器、窗簾、遮陽系統(tǒng)等設備的控制模塊。

（2）能夠將環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至網絡服務器，對數(shù)據(jù)進行保存處理，并根據(jù)數(shù)據(jù)特征，對大棚設備做出相應的控制，以實現(xiàn)食用菌大棚環(huán)境的自動調節(jié)，保持最適宜食用菌生長的環(huán)境。

（3）能夠對來自大棚的環(huán)境參數(shù)進行分析，根據(jù)不同類型食用菌的生長習性以及環(huán)境特點進行模糊化數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)環(huán)境穩(wěn)定控制。

1.2 系統(tǒng)結構設計

圖1為系統(tǒng)總體設計框圖。為降低布線成本，提高系統(tǒng)可靠性，采用ZigBee無線通信技術和星狀網絡拓撲結構進行系統(tǒng)設計。由圖1可知，本系統(tǒng)的功能主要分為五部分：

（1）環(huán)境參數(shù)信息的采集、上傳模塊；

（2）大棚設備控制系統(tǒng)；

（3）負責環(huán)境參數(shù)信息采集系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)與服務器進行信息交互的信息網關模塊;

（4）環(huán)境參數(shù)信息的云服務器；

（5）大棚數(shù)據(jù)的移動端與PC端可視化展示與遠程控制設備。

環(huán)境信息采集系統(tǒng):該系統(tǒng)可實現(xiàn)空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、菌袋溫濕度等參數(shù)的采集，以及信息無線傳輸。

網關模塊:該模塊負責通過ZigBee網絡匯集環(huán)境信息采集系統(tǒng)發(fā)送的環(huán)境參數(shù)信息，將信息打包發(fā)送至服務器，并接收來自服務器的設備控制信息。

設備控制系統(tǒng):由網關模塊將來自服務器的控制信息轉發(fā)至設備控制系統(tǒng)，并對設備(遮陽系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、卷簾設備等)做出相應的控制動作。 軟件管理系統(tǒng):可視化系統(tǒng)包括兩部分，即PC管理系統(tǒng)與移動端APP，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化查看與設備遠程控制，并根據(jù)環(huán)境與氣候特點推送相應的管理指導信息。 數(shù)據(jù)處理決策模型:該系統(tǒng)可將上傳至服務器的數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫，通過構建決策模型，根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷當前環(huán)境是否適宜食用菌生長，并對設備進行實時調控。 2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)2.1 硬件系統(tǒng)設計本系統(tǒng)硬件主要由多個無線終端節(jié)點和網關節(jié)點組成,終端節(jié)點與網關模塊均采用 CC2530芯片作為核心處理器，利用基于Ti公司開發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)星形ZigBee網絡拓撲進行無線通信。 Z-Stack工作時，系統(tǒng)初始化并啟動OSAL，進入任務輪循等過程。Z-Stack系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

首先利用終端節(jié)點采集影響食用菌生長的環(huán)境參數(shù)因子，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee網絡傳送至網關模塊，網關模塊利用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至服務器，服務器端對信息進行處理、儲存、分析，并將分析后的數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)庫進行匹配，給出合適的控制方案。之后將控制指令信息回傳至網關模塊，進而控制設備的控制系統(tǒng)。2.1.1 環(huán)境信息采集系統(tǒng)環(huán)境信息采集系統(tǒng)由基于ZigBee網絡的無線感知傳感器節(jié)點組成，該節(jié)點由3.7 V鋰電池供電，采用CC2530作為核心控制器,外接空氣溫濕度傳感器(SHT30,工作溫度范圍為-40 ～125℃，濕度范圍為0%RH～100%RH，高精度防水防塵，I2C通信總線連接）、光照強度傳感器（BH1750FVI，光照范圍0～65 535 Lux，I2C通信總線連接）、紅外二氧化碳傳感器（JXM-CO2，二氧化碳濃度范圍為0～50 000ppm，UART通信總線連接）等測量模塊。系統(tǒng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉發(fā)。2.1.2 設備控制系統(tǒng)設備控制系統(tǒng)包含多個無線控制終端節(jié)點，該節(jié)點由微處理器外接繼電器進行設備控制。在食用菌的大棚化生產過程中，通過ZigBee無線控制終端節(jié)點將環(huán)境調控設備（灑水設備、遮陽設備、溫控設備、補光設備、換氣設備、卷簾設備等）納入物聯(lián)網系統(tǒng)，實現(xiàn)無線自動化智能調控。2.1.3 網關模塊網關模塊匯集并上傳環(huán)境信息采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，接收并轉發(fā)來自服務器的設備控制指令。網關模塊由CC2530和ME3616模塊組成。 ME3616是一款支持NB-IoT通信標準的窄帶蜂窩物聯(lián)網通信模組，該模組具有低速率、低功耗、遠距離等優(yōu)點，支持多種網絡協(xié)議(CoAP、TCP/UDP、MQTT)和多種低功耗模式(PSM、eDRX)。在NB-IoT制式下，該模塊可以提供最大66 Kb/s上行速率和34 Kb/s下行速率。 網關模塊上電初始化后，創(chuàng)建兩條進程，一條進程負責收取環(huán)境采集系統(tǒng)的環(huán)境信息，然后將數(shù)據(jù)打包為JSON格式，通過串口連接ME3613模塊，利用AT指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，如圖3所示 ；另一條進程負責接收來自服務器的控制指令，當服務器下發(fā)控制指令后，ME3616模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530，CC2530轉發(fā)給設備控制系統(tǒng)，對設備做出相應的控制，流程如圖4所示。

2.2 軟件設計方案

服務器端對來自環(huán)境的數(shù)據(jù)進行保存，根據(jù)實時數(shù)據(jù)，通過決策模型，計算出設備控制最佳方案，并設計網頁端與移動端APP可視化軟件控制系統(tǒng)。

2.2.1 數(shù)據(jù)儲存決策模型

根據(jù)食用菌在不同生長階段的特性，從數(shù)據(jù)庫匹配出食用菌生長所需的最佳環(huán)境參數(shù)。設計食用菌生長階段所允許的環(huán)境參數(shù)上、下限，利用大棚實時上傳的環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能的環(huán)境監(jiān)控以及設備控制，快速糾正偏離的環(huán)境參數(shù)，模型流程如圖5所示。

2.2.2 軟件管理系統(tǒng)設計食用菌大棚測控軟件系統(tǒng)分為PC端與Android APP端，軟件系統(tǒng)設計包括身份驗證、實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設備控制、信息推送等模塊，如圖6所示。

身份驗證模塊用于驗證用戶身份，確保訪問個人數(shù)據(jù)與信息訪問的合法性。

實時數(shù)據(jù)模塊顯示食用菌大棚內多節(jié)點傳感器采集的大棚數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊將采集的環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度、CO2 濃度、光照強度)以可視化曲線的方式顯示，便于用戶觀察食用菌大棚內的環(huán)境，并在分析后做出相應的改進，提高生產食用菌效率。

設備控制模塊顯示食用菌大棚內環(huán)境調控設備的當前狀態(tài)，可選擇設備的控制模式（智能控制或手動控制）。采取智能模式控制時，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)模糊處理模型給出的控制方案進行動態(tài)調控，實現(xiàn)自動化控制。手動模式下，可根據(jù)用戶實際需求使用軟件發(fā)出相應的控制指令，設備控制系統(tǒng)獲取指令后對大棚調控設備做出相應的控制操作。

信息推送需依據(jù)大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)信息。我們根據(jù)對食用菌大棚最適栽培條件與生長適宜范圍的分析，利用大棚環(huán)境參數(shù)信息與當天天氣和季節(jié)條件，對大棚設置不同的種植指導推送，便于用戶了解大棚狀況，根據(jù)自主需求對大棚進行調控，實現(xiàn)食用菌最佳生長環(huán)境的智能控制。

3 系統(tǒng)測試與結果分析

在實驗室模擬食用菌大棚系統(tǒng)，每個食用菌大棚分別安裝、準備5～6個傳感器節(jié)點，1 個網關節(jié)點，1臺PC電腦與可安裝APP的手機。

系統(tǒng)測試硬件各節(jié)點與網關設備組網成功后，環(huán)境采集模塊可將空氣濕溫度、菌袋溫濕度、大棚內光照強度和二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至網關節(jié)點，網關節(jié)點也可連接網絡，上傳數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。網絡管理平臺與手機APP端對數(shù)據(jù)進行實時展示，通過點擊控制，可快速下發(fā)指令，控制設備準確、實時做出相應動作。實驗表明，該系統(tǒng)功耗低，穩(wěn)定性良好，可以滿足食用菌生長監(jiān)控的需求。

4 結 語

該食用菌大棚測控系統(tǒng)針對食用菌生產的實際需求，以ZigBee網絡為基礎，進行物聯(lián)網開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測與設備控制，并將數(shù)據(jù)進行可視化處理，實現(xiàn)最適宜環(huán)境的調節(jié)控制，以滿足食用菌種植智能化、現(xiàn)代化的需求，提高農業(yè)大棚的管理水平和生產效率。該系統(tǒng)可擴展性強，也適用于其他農業(yè)大棚，具有較強的參考價值。

審核編輯 ：李倩