基于物聯(lián)網(wǎng)的靈芝大棚智能測(cè)控系統(tǒng)

景瑞昊

山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 山東 淄博 255000

引言

靈芝是著名的食藥用真菌，是我國一味傳統(tǒng)的名貴中藥，在民間就有“仙草”一稱。我國靈芝人工栽培己有60余年的歷史，隨著人民生活水平的不斷提高，以靈芝、孢子粉為原料的藥品及保健品的需求量不斷提高，近二十多年來靈芝越來越受到人們的重視，但野生靈芝資源有限，因此人工栽培規(guī)模也變得越來越大[1]。然而在栽培規(guī)模擴(kuò)大的同時(shí)，出現(xiàn)了生產(chǎn)效率低下、自動(dòng)化率低、感染率高等問題，嚴(yán)重地阻礙了我國靈芝產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 產(chǎn)品分析

1.1 產(chǎn)品介紹

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一套低成本且具有較高現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值的靈芝大棚智能測(cè)控系統(tǒng)。主控器通過DHT11溫濕度傳感器，感知靈芝大棚內(nèi)的溫濕度情況，在本地OLED顯示屏幕以及用戶手機(jī)端App中；通過火焰?zhèn)鞲衅髂K來檢測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)。整個(gè)系統(tǒng)分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，可以根據(jù)溫度和濕度的變化情況，自動(dòng)調(diào)節(jié)是否需要打開水泵，調(diào)控大棚內(nèi)的噴灑系統(tǒng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫度、濕度，同時(shí)能將數(shù)據(jù)同步上傳到One NET物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器，在手機(jī)上進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制；在手動(dòng)模式下，可自行管理水泵及窗簾的開關(guān)[2]。用戶能夠通過手機(jī)直觀監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，遠(yuǎn)距離調(diào)控，及時(shí)做出處理。

本系統(tǒng)由傳感器感知模塊、ESP8266無線傳輸模塊、繼電器控制電路、基于One NET物聯(lián)網(wǎng)的信息共享平臺(tái)、STM32芯片開發(fā)板部分組成，設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為控制核心的靈芝大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，為規(guī)模化靈芝生產(chǎn)提供了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)的智能質(zhì)量監(jiān)控的手段。

1.2 特色與創(chuàng)新

本設(shè)計(jì)主要?jiǎng)?chuàng)新的地方可歸于以下幾點(diǎn)：

1.2.1 在數(shù)據(jù)傳輸上。為了便于用戶的使用，使用ESP8266模塊，通過連接Wi-Fi的方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，通過使用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳至云服務(wù)器，MQTT協(xié)議有多個(gè)語言版本，比如PHP、JAVA、Python、C等，面向較廣，基本可以在任何平臺(tái)使用，完成多個(gè)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞，有開銷小、效率高、操作簡單等優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 在算法設(shè)計(jì)上。傳感器采集到靈芝的環(huán)境因子（溫度、濕度）的數(shù)據(jù)，但由于靈芝大棚內(nèi)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，環(huán)境位置不同以及靈芝的呼吸作用等因素，導(dǎo)致靈芝大棚內(nèi)環(huán)境因子存在時(shí)變性、非線性以及多因子耦合性等特點(diǎn)，綜上設(shè)計(jì)了溫濕度控制器，通過控制溫濕度在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的變化值，調(diào)整水泵噴灑的開啟或關(guān)閉，進(jìn)而控制環(huán)境的溫度和濕度，使靈芝得到高效生產(chǎn)。

1.2.3 在軟件設(shè)計(jì)上。One NET云平臺(tái)不僅計(jì)算功能強(qiáng)大，而且最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)在于可以在云端進(jìn)行軟件的監(jiān)控界面的創(chuàng)建，可以通過設(shè)置按鍵或?qū)崟r(shí)統(tǒng)計(jì)圖來監(jiān)測(cè)控制靈芝大棚內(nèi)的環(huán)境因子，這就極大程度的方便了整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性。當(dāng)終端設(shè)備與One NET云平臺(tái)建立連接后，下位機(jī)根據(jù)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳到云平臺(tái)，產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，進(jìn)而控制相應(yīng)的組件，以完成需求[3]。

1.3 系統(tǒng)工作流程

首先打開電源按鍵，系統(tǒng)開始進(jìn)入初始化，初始化完畢后準(zhǔn)備連接Wi-Fi，當(dāng)LED0閃爍一下后，表示聯(lián)網(wǎng)成功，自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)模式。

在手動(dòng)模式下，通過KEY1按鍵，可以控制繼電器松開或吸合狀態(tài)，從而控制水泵的打開或關(guān)閉。通過WK_UP按鍵可實(shí)現(xiàn)窗簾的打開或關(guān)閉，由于窗簾的打開或關(guān)閉需要數(shù)秒，因此在執(zhí)行窗簾的打開或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，需要耐心等待窗簾的完全打開或關(guān)閉后再執(zhí)行其他命令。

按下KEY0鍵可切換為自動(dòng)模式。不管當(dāng)前的水泵是何狀態(tài)，當(dāng)切換為自動(dòng)模式的瞬間，水泵會(huì)關(guān)閉，開始進(jìn)入溫度、濕度自控算法，若溫度高于閾值或濕度低于閾值，都會(huì)打開水泵，進(jìn)行降溫或提高空氣濕度，以達(dá)到靈芝適宜生長的環(huán)境狀態(tài)。在自動(dòng)模式下，開啟或關(guān)閉水泵會(huì)使系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入手動(dòng)模式，窗簾按鍵不會(huì)導(dǎo)致此操作。

當(dāng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后，可通過手機(jī)App對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制，可以查看實(shí)時(shí)大棚環(huán)境因子信息，以及對(duì)設(shè)備模式、窗簾和水泵的狀態(tài)選擇。

系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6作為主控制器。STM32F103RCT6芯片是一款高性能、低價(jià)格、低功耗的芯片，其內(nèi)部集成了ADC、時(shí)鐘、定時(shí)器等豐富的資源。該芯片有強(qiáng)大的時(shí)鐘系統(tǒng)和高性能處理器，最高時(shí)鐘頻率能達(dá)到72MHz，可以高效地處理任務(wù)。

2.2 溫濕度采集電路設(shè)計(jì)

出芝時(shí)棚內(nèi)溫度保持28～30℃，不超過35℃，空氣相對(duì)濕度不低于85%，合適的溫濕度對(duì)于靈芝在生長期尤為關(guān)鍵，是靈芝子實(shí)體變大、變優(yōu)的最為關(guān)鍵因素。所以對(duì)室內(nèi)溫濕度進(jìn)行監(jiān)控極為重要。本次設(shè)計(jì)中選用DHT11溫濕度傳感器對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控采集，根據(jù)手冊(cè)查詢得知，該傳感器的采集溫度在-20～ 60℃，測(cè)量濕度為5%到95%RH，完全符合監(jiān)測(cè)所需。

2.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K

靈芝大棚的投資成本相對(duì)于農(nóng)民來講較大，一個(gè)靈芝大棚的成本在3～5萬元不等，一枚火星也能使數(shù)年的勞作化為烏有，因此，火災(zāi)防護(hù)非常必要。在本次設(shè)計(jì)中，采用火焰?zhèn)鞲衅髂KYL-38。

2.4 無線通信模塊設(shè)計(jì)[4]

對(duì)比無線通信方案，方案一：選用Zig Bee芯片，使用Zig Bee無線技術(shù)組成一個(gè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，通過外設(shè)網(wǎng)關(guān)與手機(jī)進(jìn)行通信。方案二：使用ESP8266系列無線Wi-Fi芯片，通過Wi-Fi直接進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，與服務(wù)器進(jìn)行通訊。方案三：選用NB-IoT模組，購買物聯(lián)卡連接網(wǎng)絡(luò)。

無線通信模塊是除主控芯片外最重要的部分，決定了系統(tǒng)性能。Zig Bee可接入節(jié)點(diǎn)高達(dá)6萬多，但Zig Bee穿墻能力較弱、傳輸速率慢，且在使用時(shí)需配備Zig Bee網(wǎng)關(guān)支持才可與智能手機(jī)進(jìn)行通信。NB-IoT指的是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它工作在授權(quán)頻段，核心是面向低端物聯(lián)網(wǎng)終端（低耗流），網(wǎng)絡(luò)速度較低，因此對(duì)命令下發(fā)或數(shù)據(jù)上傳限制較大。Wi-Fi在傳輸速率上具有較大優(yōu)勢(shì)，且穿墻性能較強(qiáng)、覆蓋范圍廣，開發(fā)使用方便，能夠直接接入互聯(lián)網(wǎng)，其主要缺點(diǎn)是功耗大，網(wǎng)絡(luò)容量小。結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用對(duì)比，方案二傳輸速率快、覆蓋范圍廣、穿墻性能好、使用方便，成本低廉。綜合考慮多種實(shí)際因素后，Wi-Fi模塊采用安信可科技開發(fā)的ESP8266-01S。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)服務(wù)器采用的是中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)提供的云服務(wù)器，下位機(jī)通過傳感器采集數(shù)據(jù)。主控制器將采集的數(shù)據(jù)通過Wi-Fi上傳到One NET云平臺(tái)，One NET云平臺(tái)提供了軟件監(jiān)控界面的創(chuàng)建功能，極大程度上方便了整個(gè)系統(tǒng)的便捷性。當(dāng)下位機(jī)與One NET云平臺(tái)建立連接后，根據(jù)MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳到云端，產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，進(jìn)而控制相應(yīng)的組件，同時(shí)用戶可以利用云平臺(tái)的命令下發(fā)功能對(duì)下位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 硬件測(cè)試

打開電源按鍵，系統(tǒng)開始進(jìn)入初始化，初始化完畢后準(zhǔn)備連接Wi-Fi，當(dāng)LED0閃爍一下后，表示聯(lián)網(wǎng)成功，進(jìn)入手動(dòng)模式，如圖2的OLED屏幕所示。

圖2 OLED顯示屏幕

在手動(dòng)模式下，通過KEY1按鍵，可以控制繼電器松開或吸合狀態(tài)，從而控制水泵的打開或關(guān)閉。通過WK_UP按鍵可實(shí)現(xiàn)窗簾的打開或關(guān)閉，由于窗簾的打開或關(guān)閉需要數(shù)秒，因此在執(zhí)行窗簾的打開或關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致程序無法運(yùn)行其他指令。

按下KEY0鍵可切換為自動(dòng)模式。不管當(dāng)前的水泵是何狀態(tài)，當(dāng)切換為自動(dòng)模式的瞬間，水泵會(huì)關(guān)閉，開始運(yùn)行溫度、濕度自控算法，若溫度高于閾值或濕度低于閾值，都會(huì)打開水泵，進(jìn)行降溫或提高空氣濕度，以達(dá)到靈芝適宜生長的環(huán)境狀態(tài)。

通過按鍵中斷指令，控制各模塊的運(yùn)行，經(jīng)測(cè)試表明，反應(yīng)靈敏度高、錯(cuò)誤率低，適合靈芝大棚內(nèi)運(yùn)行。

4.2 軟件測(cè)試

軟件測(cè)試環(huán)節(jié)用到的測(cè)試軟件是基于One NET物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器的設(shè)備云App，設(shè)備云App功能與One NET網(wǎng)站版相通。通過登錄賬號(hào)，設(shè)備云上即可顯示自己創(chuàng)建的設(shè)備信息。

點(diǎn)擊應(yīng)用，進(jìn)入設(shè)備后，硬件主控器通過ESP8266連接Wi-Fi進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，并通過MQTT協(xié)議，將各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絆ne NET云服務(wù)器，并能在手機(jī)上觀察信息[5]。

主頁面有3個(gè)按鈕，分別為模式選擇、水泵、窗簾。通過逐個(gè)測(cè)試，均能低時(shí)延的體現(xiàn)到硬件設(shè)備，硬件設(shè)備能及時(shí)收到信息并處理。點(diǎn)擊水泵“ON”發(fā)送成功，“ON”與“OFF”均閃亮，這是由于One NET云服務(wù)器的刷新頻率最低為3s，因此需等待3s后，“OFF”光亮消失。

5 結(jié)束語

“農(nóng)業(yè)+物聯(lián)網(wǎng)”是發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。經(jīng)實(shí)地調(diào)查研究，設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的靈芝大棚智能測(cè)控系統(tǒng)，傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集靈芝大棚內(nèi)周圍環(huán)境因子（溫度、濕度），為有效提高靈芝產(chǎn)量提供了必要保障。通過系統(tǒng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、便捷智能、體積小，適應(yīng)棚內(nèi)狹小空間，有效節(jié)省了人力物力。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、火災(zāi)報(bào)警、遠(yuǎn)程智能控制等功能。有精度高、誤報(bào)率低、成本小等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足靈芝環(huán)境測(cè)控工作，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。