菌類養(yǎng)殖大棚環(huán)境控制平臺設計

鄧悅 喻恒 王永濤

摘要：菌類養(yǎng)殖對于溫濕度、環(huán)境中的二氧化碳濃度等要求異常嚴格而一般的人工管理很難達到科學種植的要求。而如果不能實現(xiàn)大棚環(huán)境的遠程監(jiān)控，其管理成本和設施成本都非常高，人工管理也無法實現(xiàn)便捷化和精準化，該文設計一個主控芯片基于樹莓派的，使用前后端語言分離設計Web網(wǎng)頁等技術實現(xiàn)的遠程監(jiān)控及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)站觀察溫濕度數(shù)據(jù)及變化折線圖，當溫濕度過低，低于設計的閾值是會自動地噴灑水，以達到降低溫濕度的目的，從而達到科學種植的目的，一定程度上降低了人工管理成本。

關鍵詞：菌類養(yǎng)殖;溫濕度;樹莓派

中圖分類號：S625;TP273? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0220-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，各國政府大力支持物聯(lián)網(wǎng)作為市場化產(chǎn)品，將其業(yè)務融入各個領域政策。發(fā)展所有農(nóng)業(yè)領域，以實現(xiàn)平穩(wěn)增長和生產(chǎn)增長，提高質(zhì)量，調(diào)節(jié)生長周期和提高經(jīng)濟效益的目標，使高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)領域，更高效、環(huán)境友好的生產(chǎn)和清潔的生產(chǎn)[1]。結合現(xiàn)在一些比較先進的專業(yè)技術，采用一些較為貼近生活化的設計理念[2]，本文設計的菌類養(yǎng)殖基于運用運算能力強的樹莓派為主控板，DHT22溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，Web頁面進行控制，WiFi模塊遠程通信，水泵的控制等技術，該菌類養(yǎng)殖以樹莓派為主控，結合數(shù)據(jù)庫，Web頁面實現(xiàn)，具有獲取溫濕度數(shù)據(jù)，上傳數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)庫，閾值設置，切換棚區(qū)查看其他棚區(qū)的狀態(tài)，控制水泵出水等。該系統(tǒng)模擬人員管理方式進行設計，完成了智能控制大棚，實現(xiàn)實時監(jiān)控大棚環(huán)境[3-4]，降低了管理成本，實現(xiàn)人工管理便捷化和精準化。

2 菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)應用設計

菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)是以樹莓派作為主控板來實現(xiàn)。菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)的溫濕度檢測電路是利用DHT11溫濕度傳感器節(jié)點從大棚里獲取溫濕度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過A/D 轉換器處理，輸送到樹莓派內(nèi)處理之后可以對空氣溫濕度變化進行檢測和控制，也可以對溫濕度范圍重新設置，手動檢測用樹莓派接受到的數(shù)據(jù)處理之后發(fā)送指令到繼電器以控制水泵噴水。該設計的硬件電路主要由“Raspberry Pi Zero”系統(tǒng)電路、電源電路、溫濕度傳感器電路等電路共同構成。從數(shù)據(jù)庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過分析，將分析結果通過網(wǎng)頁的形式顯示出來，使用戶可以實時地查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，然后還可以切換棚區(qū)，查看其他棚區(qū)的狀態(tài)[5-6]。而Web頁面是響應式的，可以適應電腦，手機等應用設備顯示頁面，增加了良好的使用體驗。

3 菌類養(yǎng)殖軟硬件總體設計

菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)的整體設計包括兩大部分。硬件設計和軟件設計。具體功能設計如圖1。

3.1 硬件設計

硬件部分是由運算能力強的Raspberry Zero作為主控板，獲取數(shù)據(jù)和控制是使用DHT22溫濕度傳感器和一路繼電器以及大功率直流液泵構建成的，具體設計如圖2所示。

3.1.1 主控模塊

該設計以raspberrypi zero作為為主控模塊，它是一款基于ARM的微型電腦主板，它安裝的操作系統(tǒng)為 LINUX以 SD 卡為內(nèi) 存硬盤，而且它具備所有PC的基本功能，因為低價，性價比較高，使得它應用更加廣泛，本設計使用的是4代，芯片是博通 BCM2711，采用的通信模塊是WiFi模塊，并且其接口比較多，可以接收多方信息 并進行多方控制，同時無線網(wǎng)絡通信支持 2.4G和5G兩個頻段。

3.1.2 通信模塊

本設計樹莓派與服務器之間通訊采用WIFI模塊，使用的樹莓派中的WiFi模塊采用IEEE802.11ac無線標準，802.11ac的核心技術主要基于802.11a，既保證了向下兼容，同時使數(shù)據(jù)傳輸通道會大大擴充，提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度。確保把收集到的周圍的環(huán)境信息及時地上傳給服務器。樹莓派與溫濕 度傳感器通過 RS - 485 總線進行通信，RS - 485 總線解決了采 集通道多的問題，從而保證本設計中各個大棚溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)可以準確傳輸，水泵的開關是通過控制樹莓派上的I/O口控制繼電器來實現(xiàn)的，采用繼電器的原因是想以較小的電流、電壓去控制較大的電流、電壓。

3.1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集是采用DHT11溫濕度傳感器，它有自己專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證了產(chǎn)品有卓越的長期穩(wěn)定性和極高的可靠性。工作流程圖如圖3所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 數(shù)據(jù)檢測模塊

各個DHT22溫濕度傳感器節(jié)點從大棚里獲取溫濕度數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)以及獲取數(shù)據(jù)的時間上傳給數(shù)據(jù)庫，并利用無線通信wifi技術將數(shù)據(jù)上傳服務器，服務器端對客戶端上傳的數(shù)據(jù)進行分析，合法性校驗，當通過傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過或者低于閾值時，自動做出處理。

3.2.2 控制模塊

本設計的控制模塊設計了兩種模式，自動控制模式和手動命令控制。手動命令下達模式是通過Web端下達命令，主要是運用繼電器 與接觸器來控制系統(tǒng)設備的運行與停止，是脫離現(xiàn)場的手動模式， 自動控制模式為智能控制，該系統(tǒng)會根據(jù)大棚內(nèi)部采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行分析，繼而判斷是否達到我們設置的閾值，如果不是即進行自動控制，使大棚的內(nèi)部環(huán)境始終保持 在適合菌類生長的適當?shù)臓顟B(tài)。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)模塊主要運用mysql數(shù)據(jù)庫進行存儲，MySQL是開放源代碼的，對于菌類養(yǎng)殖來說，MySQL提供的功能已經(jīng)綽綽有余并且還可以大大降低總體成本。同時溫濕度收集到的數(shù)據(jù)存放在不同的數(shù)據(jù)表中，增加了速度并提高了靈活性。它的這一個特點，對我們進行溫濕度數(shù)據(jù)分析，以及查詢等操作帶來了極大的便利。全局ER圖如圖4。

3.2.4 Web頁面

Web頁面前端運用html、css開發(fā)出靜態(tài)頁面，結合vue框架編寫，數(shù)據(jù)庫使用MySQL，Navicat15等服務實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫連接和處理。后端數(shù)據(jù)的獲取和數(shù)據(jù)的處理是基于Python的Django全?？蚣軐崿F(xiàn)處理此頁面功能有從數(shù)據(jù)庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過分析，將分析結果通過網(wǎng)頁的形式顯示出來，同時顯示每天溫濕度變化折線圖，使用戶可以實時地查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，然后還可以切換棚區(qū)，查看其他棚區(qū)的狀態(tài)。以及可以隨時手動檢測溫濕度，更有利于觀察。

4 系統(tǒng)調(diào)試

因為系統(tǒng)分為各個功能，而網(wǎng)頁也是采用前后端分離方式編寫，所以調(diào)試與測試需要分步驟進行調(diào)試，由于每個模塊需要測試標準的不同，測試要求也不一樣，因此對對應不同的功能設置不同的測試方法，使測試結果更具說服性和準確性。

4.1 設備故障檢測測試

設備故障檢測，主要用來測試當設備發(fā)生故障時，手機是否能收到郵件提醒，溫濕度是否會改變，水泵是否能正常出水。每次測試結束后記錄正常次數(shù)和不正常次數(shù)，進行系統(tǒng)的計算分析實現(xiàn)對設備故障檢測，

設備故障檢測的測試結果如下表2：

測試過程中失敗的原因為：后端郵件服務器出現(xiàn)錯誤，效率大于98%，所以功能基本能實現(xiàn)。

4.2 手動控制設備功能測試

手動控制設備功能檢測，主要測試當我們想獲取當前溫濕度時是否能正常獲取，獲取之后是否能進行正常的分析處理，觀察網(wǎng)頁數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化每次測試結束后記錄能否準確數(shù)據(jù)，進行系統(tǒng)的計算分析實現(xiàn)對手動控制設備功能的測試。測試結果如下表3。

測試結果手動控制設備功能正常有效率超94%，失敗的原因是因為存在誤差，連續(xù)檢測時可能兩個時刻間溫度并沒有改變也屬于正?，F(xiàn)象。

4.3 智能控制設備功能測試

智能控制設備測試，主要用來測試當檢測的度超過閾值，濕度低于閾值時，是否可以自動控制出水調(diào)節(jié)，通過調(diào)整某一位置大棚的溫度閾值超過傳感網(wǎng)節(jié)點檢測的溫度的方法進行測試，每次測試結束后記錄，進行系統(tǒng)的計算分析實現(xiàn)對智能控制設備的測試。測試結果如下表4。

測試有效率100%，所以該功能可以正常實現(xiàn)。

4.4 系統(tǒng)整體性評價

通過上面對各個部分的測評，系統(tǒng)的整體性能是好的，可以正常實現(xiàn)我們想要的功能，達到了我們理想的預期，但是該系統(tǒng)還是有不足之處，例如：個別功能存在誤差，這就降低了該系統(tǒng)整體性的性能。

5 結束語

本文根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)需求設計了用于智慧農(nóng)業(yè)的菌類養(yǎng)殖，該系統(tǒng)適用于種植蔬菜大棚的管理，例如對溫濕度要求較高的羊肚菌的種植，菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)主要為用戶提供有溫濕度檢測數(shù)據(jù)模塊、網(wǎng)頁顯示數(shù)據(jù)以及網(wǎng)頁控制澆水。各個傳感器節(jié)點從大棚里獲取溫濕度數(shù)據(jù)，并將獲取的數(shù)據(jù)以及獲取數(shù)據(jù)的時間上傳給數(shù)據(jù)庫，當溫濕度超過閾值或是網(wǎng)絡發(fā)來噴水請求則控制各節(jié)點的繼電器通電，控制液泵開始噴水。Web網(wǎng)頁，從數(shù)據(jù)庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過分析，將分析結果通過網(wǎng)頁的形式顯示出來，使用戶可以實時的查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，以及切換棚區(qū)，查看其他棚區(qū)的狀態(tài)?？梢杂行У販p少人員管理成本，并且實現(xiàn)便捷化和精準化，達到了科學種植的目的[7]。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】