菌類養(yǎng)殖大棚環(huán)境控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

鄧悅 喻恒 王永濤

摘要：菌類養(yǎng)殖對(duì)于溫濕度、環(huán)境中的二氧化碳濃度等要求異常嚴(yán)格而一般的人工管理很難達(dá)到科學(xué)種植的要求。而如果不能實(shí)現(xiàn)大棚環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，其管理成本和設(shè)施成本都非常高，人工管理也無(wú)法實(shí)現(xiàn)便捷化和精準(zhǔn)化，該文設(shè)計(jì)一個(gè)主控芯片基于樹莓派的，使用前后端語(yǔ)言分離設(shè)計(jì)Web網(wǎng)頁(yè)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站觀察溫濕度數(shù)據(jù)及變化折線圖，當(dāng)溫濕度過(guò)低，低于設(shè)計(jì)的閾值是會(huì)自動(dòng)地噴灑水，以達(dá)到降低溫濕度的目的，從而達(dá)到科學(xué)種植的目的，一定程度上降低了人工管理成本。

關(guān)鍵詞：菌類養(yǎng)殖;溫濕度;樹莓派

中圖分類號(hào)：S625;TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）18-0220-03

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 背景

物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，各國(guó)政府大力支持物聯(lián)網(wǎng)作為市場(chǎng)化產(chǎn)品，將其業(yè)務(wù)融入各個(gè)領(lǐng)域政策。發(fā)展所有農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)增長(zhǎng)和生產(chǎn)增長(zhǎng)，提高質(zhì)量，調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期和提高經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)，使高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，更高效、環(huán)境友好的生產(chǎn)和清潔的生產(chǎn)[1]。結(jié)合現(xiàn)在一些比較先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)，采用一些較為貼近生活化的設(shè)計(jì)理念[2]，本文設(shè)計(jì)的菌類養(yǎng)殖基于運(yùn)用運(yùn)算能力強(qiáng)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(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，Web頁(yè)面進(jìn)行控制，WiFi模塊遠(yuǎn)程通信，水泵的控制等技術(shù)，該菌類養(yǎng)殖以樹莓派為主控，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)，Web頁(yè)面實(shí)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(kù)，閾值設(shè)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(jìn)行設(shè)計(jì)，完成了智能控制大棚，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控大棚環(huán)境[3-4]，降低了管理成本，實(shí)現(xiàn)人工管理便捷化和精準(zhǔn)化。

2 菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)是以樹莓派作為主控板來(lái)實(shí)現(xiàn)。菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)的溫濕度檢測(cè)電路是利用DHT11溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)從大棚里獲取溫濕度數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器處理，輸送到樹莓派內(nèi)處理之后可以對(duì)空氣溫濕度變化進(jìn)行檢測(cè)和控制，也可以對(duì)溫濕度范圍重新設(shè)置，手動(dòng)檢測(cè)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(shè)計(jì)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(gòu)成。從數(shù)據(jù)庫(kù)里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)分析，將分析結(jié)果通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式顯示出來(lái)，使用戶可以實(shí)時(shí)地查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行閾值設(shè)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(yè)面是響應(yīng)式的，可以適應(yīng)電腦，手機(jī)等應(yīng)用設(shè)備顯示頁(yè)面，增加了良好的使用體驗(yàn)。

3 菌類養(yǎng)殖軟硬件總體設(shè)計(jì)

菌類養(yǎng)殖系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)包括兩大部分。硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。具體功能設(shè)計(jì)如圖1。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件部分是由運(yùn)算能力強(qiáng)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(gòu)建成的，具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

3.1.1 主控模塊

該設(shè)計(jì)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?yàn)榈蛢r(jià)，性價(jià)比較高，使得它應(yīng)用更加廣泛，本設(shè)計(jì)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(jìn)行多方控制，同時(shí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信支持 2.4G和5G兩個(gè)頻段。

3.1.2 通信模塊

本設(shè)計(jì)樹莓派與服務(wù)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，802.11ac的核心技術(shù)主要基于802.11a，既保證了向下兼容，同時(shí)使數(shù)據(jù)傳輸通道會(huì)大大擴(kuò)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(shí)地上傳給服務(wù)器。樹莓派與溫濕 度傳感器通過(guò) RS - 485 總線進(jìn)行通信，RS - 485 總線解決了采 集通道多的問(wèn)題，從而保證本設(shè)計(jì)中各個(gè)大棚溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確傳輸，水泵的開(kāi)關(guān)是通過(guò)控制樹莓派上的I/O口控制繼電器來(lái)實(shí)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(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，保證了產(chǎn)品有卓越的長(zhǎng)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(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊

各個(gè)DHT22溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)間上傳給數(shù)據(jù)庫(kù)，并利用無(wú)線通信wifi技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器，服務(wù)器端對(duì)客戶端上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，合法性校驗(yàn)，當(dāng)通過(guò)傳感器采集到的數(shù)據(jù)超過(guò)或者低于閾值時(shí)，自動(dòng)做出處理。

3.2.2 控制模塊

本設(shè)計(jì)的控制模塊設(shè)計(jì)了兩種模式，自動(dòng)控制模式和手動(dòng)命令控制。手動(dòng)命令下達(dá)模式是通過(guò)Web端下達(dá)命令，主要是運(yùn)用繼電器 與接觸器來(lái)控制系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行與停止，是脫離現(xiàn)場(chǎng)的手動(dòng)模式， 自動(dòng)控制模式為智能控制，該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)大棚內(nèi)部采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繼而判斷是否達(dá)到我們?cè)O(shè)置的閾值，如果不是即進(jìn)行自動(dòng)控制，使大棚的內(nèi)部環(huán)境始終保持 在適合菌類生長(zhǎng)的適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)。

3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)模塊主要運(yùn)用mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，MySQL是開(kāi)放源代碼的，對(duì)于菌類養(yǎng)殖來(lái)說(shuō)，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(shí)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(gè)特點(diǎn)，對(duì)我們進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)分析，以及查詢等操作帶來(lái)了極大的便利。全局ER圖如圖4。

3.2.4 Web頁(yè)面

Web頁(yè)面前端運(yùn)用html、css開(kāi)發(fā)出靜態(tài)頁(yè)面，結(jié)合vue框架編寫，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL，Navicat15等服務(wù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)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?shí)現(xiàn)處理此頁(yè)面功能有從數(shù)據(jù)庫(kù)里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)分析，將分析結(jié)果通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式顯示出來(lái)，同時(shí)顯示每天溫濕度變化折線圖，使用戶可以實(shí)時(shí)地查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行閾值設(shè)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(shí)手動(dòng)檢測(cè)溫濕度，更有利于觀察。

4 系統(tǒng)調(diào)試

因?yàn)橄到y(tǒng)分為各個(gè)功能，而網(wǎng)頁(yè)也是采用前后端分離方式編寫，所以調(diào)試與測(cè)試需要分步驟進(jìn)行調(diào)試，由于每個(gè)模塊需要測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不同，測(cè)試要求也不一樣，因此對(duì)對(duì)應(yīng)不同的功能設(shè)置不同的測(cè)試方法，使測(cè)試結(jié)果更具說(shuō)服性和準(zhǔn)確性。

4.1 設(shè)備故障檢測(cè)測(cè)試

設(shè)備故障檢測(cè)，主要用來(lái)測(cè)試當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，手機(jī)是否能收到郵件提醒，溫濕度是否會(huì)改變，水泵是否能正常出水。每次測(cè)試結(jié)束后記錄正常次數(shù)和不正常次數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障檢測(cè)，

設(shè)備故障檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果如下表2：

測(cè)試過(guò)程中失敗的原因?yàn)椋汉蠖肃]件服務(wù)器出現(xiàn)錯(cuò)誤，效率大于98%，所以功能基本能實(shí)現(xiàn)。

4.2 手動(dòng)控制設(shè)備功能測(cè)試

手動(dòng)控制設(shè)備功能檢測(cè)，主要測(cè)試當(dāng)我們想獲取當(dāng)前溫濕度時(shí)是否能正常獲取，獲取之后是否能進(jìn)行正常的分析處理，觀察網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化每次測(cè)試結(jié)束后記錄能否準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)控制設(shè)備功能的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下表3。

測(cè)試結(jié)果手動(dòng)控制設(shè)備功能正常有效率超94%，失敗的原因是因?yàn)榇嬖谡`差，連續(xù)檢測(cè)時(shí)可能兩個(gè)時(shí)刻間溫度并沒(méi)有改變也屬于正常現(xiàn)象。

4.3 智能控制設(shè)備功能測(cè)試

智能控制設(shè)備測(cè)試，主要用來(lái)測(cè)試當(dāng)檢測(cè)的度超過(guò)閾值，濕度低于閾值時(shí)，是否可以自動(dòng)控制出水調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)整某一位置大棚的溫度閾值超過(guò)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)的溫度的方法進(jìn)行測(cè)試，每次測(cè)試結(jié)束后記錄，進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析實(shí)現(xiàn)對(duì)智能控制設(shè)備的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下表4。

測(cè)試有效率100%，所以該功能可以正常實(shí)現(xiàn)。

4.4 系統(tǒng)整體性評(píng)價(jià)

通過(guò)上面對(duì)各個(gè)部分的測(cè)評(píng)，系統(tǒng)的整體性能是好的，可以正常實(shí)現(xiàn)我們想要的功能，達(dá)到了我們理想的預(yù)期，但是該系統(tǒng)還是有不足之處，例如：個(gè)別功能存在誤差，這就降低了該系統(tǒng)整體性的性能。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)智慧農(nóng)業(yè)需求設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)模塊、網(wǎng)頁(yè)顯示數(shù)據(jù)以及網(wǎng)頁(yè)控制澆水。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)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(shí)間上傳給數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)溫濕度超過(guò)閾值或是網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)噴水請(qǐng)求則控制各節(jié)點(diǎn)的繼電器通電，控制液泵開(kāi)始噴水。Web網(wǎng)頁(yè)，從數(shù)據(jù)庫(kù)里獲取溫濕度傳感器上傳的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)分析，將分析結(jié)果通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式顯示出來(lái)，使用戶可以實(shí)時(shí)的查看大棚的溫濕度狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)Web頁(yè)面進(jìn)行閾值設(shè)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(shí)現(xiàn)便捷化和精準(zhǔn)化，達(dá)到了科學(xué)種植的目的[7]。

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