基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) *

袁虎成，呂鳳玉，賀成柱

(甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

近年來(lái)，溫室行業(yè)的發(fā)展更加重視植物生理信息的采集和監(jiān)控，根據(jù)植物的生長(zhǎng)情況調(diào)節(jié)其生長(zhǎng)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)環(huán)境變化后植物的生長(zhǎng)狀態(tài)，便于調(diào)控功能更加科學(xué)。羊肚菌作為珍稀名貴的食用菌，其營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值極高，野生羊肚菌比人工培育的價(jià)格更昂貴。為滿足羊肚菌市場(chǎng)需求，傳統(tǒng)地膜覆蓋栽培法無(wú)法對(duì)自然環(huán)境有效控制，導(dǎo)致不同生長(zhǎng)環(huán)境下羊肚菌產(chǎn)量與品質(zhì)有巨大差別。為有效采集食用菌種植培育過(guò)程的生長(zhǎng)信息，文獻(xiàn)[1]～[5]通過(guò)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的食用菌栽培系統(tǒng)，可全天候反應(yīng)菌房環(huán)境變化。培養(yǎng)房?jī)?nèi)的環(huán)境溫度是食用菌增產(chǎn)增效的一個(gè)關(guān)鍵因素，為了進(jìn)行有效控制，文獻(xiàn)[6]、[7]采用高精度溫控設(shè)備與多點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)食用菌栽植溫室內(nèi)溫度實(shí)時(shí)可控。為提高溫室栽培的產(chǎn)量與質(zhì)量，文獻(xiàn)[8]、[9]在農(nóng)業(yè)工程中應(yīng)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，提出可靠的環(huán)境條件控制策略。目前在食用菌栽培技術(shù)中，病蟲(chóng)害防治成為限制這一產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題，文獻(xiàn)[10]為食用菌病蟲(chóng)害有效防治提供了參考依據(jù)。綜合上述技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)，筆者針對(duì)羊肚菌生長(zhǎng)發(fā)育特性，提出一種基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統(tǒng)。解決羊肚菌人工栽培模式下，將整個(gè)培育過(guò)程不可控因素轉(zhuǎn)為可控，保證溫棚內(nèi)環(huán)境最適宜羊肚菌生長(zhǎng)，保障溫棚出菇的產(chǎn)量和質(zhì)量，為食用菌工廠化栽培技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展創(chuàng)造條件，推動(dòng)食用菌行業(yè)智能化和可持續(xù)性發(fā)展。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫棚智能控制系統(tǒng)由植物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)采集、對(duì)執(zhí)行器的指令下發(fā)和數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)模塊構(gòu)成，見(jiàn)圖1。系統(tǒng)通過(guò)部署前端無(wú)線傳感設(shè)備，智能檢測(cè)終端RTU匯總環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器所采集溫棚環(huán)境的數(shù)據(jù)，包括棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，以無(wú)線方式上傳給無(wú)線智能網(wǎng)關(guān)，智能網(wǎng)關(guān)再以無(wú)線方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接脩粢苿?dòng)設(shè)備端進(jìn)行分析，一旦環(huán)境偏離羊肚菌生長(zhǎng)的最適狀態(tài)，遠(yuǎn)程或自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，包括加熱器、制冷通風(fēng)、LED燈、加濕器、噴淋裝置等對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，為羊肚菌生長(zhǎng)提供優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境。

圖1 溫棚智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.1 系統(tǒng)功能

羊肚菌溫棚智能控制系統(tǒng)中，通過(guò)在土壤或空氣中合適位置配置環(huán)境參數(shù)采集傳感器，對(duì)羊肚菌生長(zhǎng)所需溫度、水分、氧含量、光照度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫棚內(nèi)部空氣的溫度和濕度、土壤的溫度和濕度、光照情況等，系統(tǒng)功能如圖2所示。同時(shí)實(shí)時(shí)依照控制策略，智能調(diào)節(jié)溫棚內(nèi)安裝各執(zhí)行設(shè)備，對(duì)土壤或空氣溫度、水分、氧含量、光照度等參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而促進(jìn)羊肚菌生長(zhǎng)。將大棚內(nèi)部環(huán)境的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)(溫度、濕度、光照度和CO2濃度等信息)存儲(chǔ)并生成報(bào)表。

圖2 羊肚菌智能控制系統(tǒng)功能簡(jiǎn)圖

1.2 系統(tǒng)控制策略

羊肚菌培育智能控制系統(tǒng)參數(shù)采集，包括對(duì)于溫棚內(nèi)氧氣、二氧化碳、二氧化硫、土壤濕度、環(huán)境溫度、空氣相對(duì)濕度、光照度、土壤濕度、土壤含水量等成分的采集。通過(guò)modbus報(bào)文方式將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)服務(wù)器，對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，然后對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)控制溫棚參數(shù)變化情況，閉環(huán)的控制溫棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)達(dá)到預(yù)期要求。針對(duì)羊肚菌生長(zhǎng)環(huán)境要求，系統(tǒng)控制策略如下：

(1) 空氣溫度控制

羊肚菌屬低溫型真菌，菌絲在3～28 ℃均能生長(zhǎng)，生長(zhǎng)最適溫度為18～22 ℃。在靠近地面20 cm處或者在培養(yǎng)框附近安裝溫度傳感器，加熱器恒溫設(shè)置為20 ℃。當(dāng)空氣溫度<設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加熱器來(lái)加熱；當(dāng)空氣溫度>設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)加濕設(shè)備來(lái)降溫，直到溫度達(dá)到設(shè)定值為止。

(2) 空氣濕度控制

羊肚菌子囊果在空氣相對(duì)濕度為75%～95%的條件下可以正常生長(zhǎng)，在不要太高出培養(yǎng)框附近安裝濕度傳感器，空氣加濕器恒濕設(shè)置為85%。當(dāng)試驗(yàn)環(huán)境濕度<設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)空氣加濕器來(lái)噴霧，直到環(huán)境濕度達(dá)到設(shè)定值為止。

(3) 土壤水分控制

羊肚菌子囊果生長(zhǎng)土壤含水量在20%～30%為宜，在培養(yǎng)框上安裝水分傳感器，當(dāng)土壤濕度<設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)噴淋裝置來(lái)噴水，直到濕度達(dá)到設(shè)定值為止。

(4) 光照度控制

羊肚菌菌絲和菌核生長(zhǎng)階段不需要光照，光線過(guò)強(qiáng)會(huì)抑制菌絲生長(zhǎng)，菌絲在暗處或微光條件下生長(zhǎng)很快。光照對(duì)子囊果的形成有一定的促進(jìn)作用，太強(qiáng)或太弱不利于子囊果的生長(zhǎng)發(fā)育，適宜光照度為600～800勒。

將光照度傳感器朝向LED燈源、靠近培養(yǎng)框水平布置安裝，當(dāng)光強(qiáng)度<設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)LED燈來(lái)照明，直到光照度達(dá)到設(shè)定值為止。

(5) CO2濃度控制

羊肚菌是好癢真菌，足夠的氧氣和良好的通風(fēng)環(huán)境是保證羊肚菌正常發(fā)育的必要條件，菌絲生長(zhǎng)階段對(duì)空氣無(wú)明顯要求，子囊果生長(zhǎng)發(fā)育則對(duì)空氣又較強(qiáng)的要求，CO2濃度不得超過(guò)0.3%。

將二氧化碳和氧氣傳感器安裝在生產(chǎn)單元墻壁上，當(dāng)CO2濃度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，開(kāi)啟風(fēng)扇加強(qiáng)通風(fēng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中O2、CO2等氣體濃度與外界一致性。

2 溫棚智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述控制要求與策略，該系統(tǒng)通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器的參數(shù)，將采集到的參數(shù)進(jìn)行分析處理，結(jié)合用戶設(shè)置的參考值，通過(guò)求差法，不斷下發(fā)指令給執(zhí)行器改變環(huán)境參數(shù)逼近設(shè)置值，實(shí)現(xiàn)環(huán)境變量的閉環(huán)控制，達(dá)到預(yù)期的環(huán)境參數(shù)值。

為了實(shí)現(xiàn)通信穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)安全性，上位機(jī)軟件安裝在應(yīng)用服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫(kù)安裝在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，與外網(wǎng)通過(guò)安全網(wǎng)關(guān)和硬件防火墻隔離。上位機(jī)平臺(tái)軟件與終端器件之間，通過(guò)無(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件組成如表1所列。

表1 硬件組成表

2.2 軟件設(shè)計(jì)

羊肚菌智能系統(tǒng)控制軟件主要功能包括：登錄及權(quán)限管理、設(shè)備管理(添加設(shè)備、設(shè)備列表)、數(shù)據(jù)管理(歷史數(shù)據(jù)記錄、查詢)、報(bào)警管理(報(bào)警設(shè)置和報(bào)警信息)和集中顯控管理，功能模塊如圖3所示。

圖3 控制軟件功能模塊圖

新用戶輸入用戶名、密碼，選擇用戶權(quán)限(普通用戶、管理員)，點(diǎn)擊登錄，即可登錄到系統(tǒng)平臺(tái)。將設(shè)備添加到系統(tǒng)中，設(shè)備添加完成后，可以在設(shè)備列表頁(yè)面中查看，同時(shí)可以配置參數(shù)采集頻率與設(shè)備上傳數(shù)據(jù)頻率。在顯示設(shè)備信息的頁(yè)面，包括設(shè)備的上下限情況，及各個(gè)設(shè)備的詳細(xì)信息列表，可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行查詢、添加、修改、刪除操作。用戶配置完成數(shù)據(jù)模版后，可在歷史記錄中查詢?cè)O(shè)備的數(shù)據(jù)信息。歷史記錄以圖表的方式，直觀的展示一段時(shí)間內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化情況，同時(shí)顯示最近的20條設(shè)備數(shù)據(jù)。用戶可以針對(duì)每個(gè)設(shè)備單獨(dú)進(jìn)行上下限報(bào)警設(shè)置，當(dāng)檢測(cè)值超過(guò)設(shè)置的上限/下限時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警設(shè)備，軟件主界面集中顯示控制系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。

農(nóng)戶可以根據(jù)棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的變化，制定生產(chǎn)工藝、控制策略，通過(guò)手機(jī)APP或網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，設(shè)備按照預(yù)設(shè)策略實(shí)現(xiàn)脫機(jī)自控，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)定時(shí)、反饋等方式控制風(fēng)機(jī)、卷簾、水閥等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整食用菌養(yǎng)殖環(huán)境，當(dāng)設(shè)備處于斷網(wǎng)情況也可以自動(dòng)執(zhí)行。同時(shí)當(dāng)環(huán)境參數(shù)變化明顯時(shí)可手機(jī)遠(yuǎn)程報(bào)警，便于處理突發(fā)事件，并提供歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢功能，為后期農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)收集，提升生產(chǎn)工藝水平，模塊化大規(guī)模生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 試驗(yàn)應(yīng)用情況

2020年12月在甘肅省中科院生物所食用菌技術(shù)中心實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用此套智能控制系統(tǒng)，羊肚菌喜歡在低溫潮濕環(huán)境中生長(zhǎng)，系統(tǒng)將空氣相對(duì)濕度要控制在75%～90%；在生長(zhǎng)期除了要求低溫之外，控制生長(zhǎng)適宜溫度是20 ℃，控制晝夜較大的溫差來(lái)刺激菌絲體分化；為避免陽(yáng)光直射，控制LED補(bǔ)光燈弱光照散射菌絲培養(yǎng)皿，保證羊肚菌有一個(gè)良好的、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。一個(gè)月后長(zhǎng)出了子實(shí)體，羊肚菌出土后7～10天生長(zhǎng)成熟，菌蓋長(zhǎng)平均7.5 cm，菌柄長(zhǎng)平均2.5 mm；菌柄厚2 mm，菌蓋厚10 mm，去根平均凈重24.5 g；蛋白質(zhì)達(dá)32%。生長(zhǎng)出的尖頂黑脈羊肚菌品相好、

菌蓋長(zhǎng)菌柄短、肉質(zhì)厚、含有豐富的蛋白質(zhì)，達(dá)到了增產(chǎn)、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

為推進(jìn)羊肚菌從栽培種植過(guò)程信息化，提高羊肚菌產(chǎn)量和質(zhì)量，提出一種基于WIFI與ARM的羊肚菌培育智能控制系統(tǒng)。通過(guò)用甘肅省科學(xué)院生物研究所培育的羊肚菌菌絲做栽培實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確控制，為羊肚菌提供最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，培育出的羊肚菌產(chǎn)量高、富含多種氨基酸、多種維生素及礦物質(zhì)，實(shí)驗(yàn)表明此套系統(tǒng)對(duì)羊肚菌溫棚栽培技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。