基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌大棚智能測控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

萬 敦，李 亞，張 宇，李 戰(zhàn)，張 旭

（河南理工大學(xué)，河南 焦作 454003）

0 引 言

食用菌產(chǎn)業(yè)是一項集經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益于一體的農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展項目，發(fā)展食用菌產(chǎn)業(yè)符合人們消費增長和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需要，是農(nóng)民快速致富的有效途徑。我國雖然已逐漸成為食用菌生產(chǎn)的重要產(chǎn)地之一，但與國外食用菌的品質(zhì)和產(chǎn)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(diào)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(zhì)和產(chǎn)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(wǎng)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)，設(shè)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(shè)備管理，提高食用菌大棚化種植產(chǎn)量，減少人力物力的消耗，增產(chǎn)增效。

1 系統(tǒng)需求分析與結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)，室內(nèi)無光照或少量光照；

（3）具有能夠通風(fēng)換氣、保溫、保濕的設(shè)備，環(huán)境控制設(shè)備較多（燈、風(fēng)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、CO等環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測模塊；擁有能夠控制燈、風(fēng)機、加濕器、窗簾、遮陽系統(tǒng)等設(shè)備的控制模塊。

（2）能夠?qū)h(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(shè)備做出相應(yīng)的控制，以實現(xiàn)食用菌大棚環(huán)境的自動調(diào)節(jié)，保持最適宜食用菌生長的環(huán)境。

（3）能夠?qū)碜源笈锏沫h(huán)境參數(shù)進行分析，根據(jù)不同類型食用菌的生長習(xí)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(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1為系統(tǒng)總體設(shè)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(shù)和星狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)設(shè)計。由圖1可知，本系統(tǒng)的功能主要分為五部分：

圖1 系統(tǒng)總框架示意圖

（1）環(huán)境參數(shù)信息的采集、上傳模塊；

（2）大棚設(shè)備控制系統(tǒng)；

（3）負責(zé)環(huán)境參數(shù)信息采集系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)與服務(wù)器進行信息交互的信息網(wǎng)關(guān)模塊；

（4）環(huán)境參數(shù)信息的云服務(wù)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(shè)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(wǎng)關(guān)模塊：該模塊負責(zé)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(wù)器，并接收來自服務(wù)器的設(shè)備控制信息。

設(shè)備控制系統(tǒng)：由網(wǎng)關(guān)模塊將來自服務(wù)器的控制信息轉(zhuǎn)發(fā)至設(shè)備控制系統(tǒng)，并對設(shè)備（遮陽系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、卷簾設(shè)備等）做出相應(yīng)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(shè)備遠程控制，并根據(jù)環(huán)境與氣候特點推送相應(yīng)的管理指導(dǎo)信息。

數(shù)據(jù)處理決策模型：該系統(tǒng)可將上傳至服務(wù)器的數(shù)據(jù)儲存至數(shù)據(jù)庫，通過構(gòu)建決策模型，根據(jù)實時數(shù)據(jù)判斷當(dāng)前環(huán)境是否適宜食用菌生長，并對設(shè)備進行實時調(diào)控。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)硬件主要由多個無線終端節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成，終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(wù)輪循等過程。Z-Stack 系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

圖2 Z-Stack系統(tǒng)運行流程

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(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)模塊利用MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)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(wǎng)關(guān)模塊，進而控制設(shè)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(wǎng)絡(luò)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，IC通信總線連接）、光照強度傳感器（BH1750FVI，光照范圍0～65 535 Lux，IC通信總線連接）、紅外二氧化碳傳感器（JXM-CO，二氧化碳濃度范圍為0～50 000 ppm，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(zhuǎn)發(fā)。

2.1.2 設(shè)備控制系統(tǒng)

設(shè)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(shè)備控制。在食用菌的大棚化生產(chǎn)過程中，通過ZigBee無線控制終端節(jié)點將環(huán)境調(diào)控設(shè)備（灑水設(shè)備、遮陽設(shè)備、溫控設(shè)備、補光設(shè)備、換氣設(shè)備、卷簾設(shè)備等）納入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)無線自動化智能調(diào)控。

2.1.3 網(wǎng)關(guān)模塊

網(wǎng)關(guān)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(zhuǎn)發(fā)來自服務(wù)器的設(shè)備控制指令。網(wǎng)關(guān)模塊由CC2530和ME3616模塊組成。

ME3616是一款支持NB-IoT通信標(biāo)準(zhǔn)的窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)模塊上電初始化后，創(chuàng)建兩條進程，一條進程負責(zé)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(wù)器，如圖3所示；另一條進程負責(zé)接收來自服務(wù)器的控制指令，當(dāng)服務(wù)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(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備控制系統(tǒng)，對設(shè)備做出相應(yīng)的控制，流程如圖4所示。

圖3 環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)模塊工作流程

圖4 網(wǎng)關(guān)模塊和設(shè)備控制系統(tǒng)工作流程

2.2 軟件設(shè)計方案

服務(wù)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(shè)備控制最佳方案，并設(shè)計網(wǎng)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(shè)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(shè)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。

圖5 數(shù)據(jù)決策模型

2.2.2 軟件管理系統(tǒng)設(shè)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(shè)計包括身份驗證、實時數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、設(shè)備控制、信息推送等模塊，如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)設(shè)計

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(nèi)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、CO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(nèi)的環(huán)境，并在分析后做出相應(yīng)的改進，提高生產(chǎn)食用菌效率。

設(shè)備控制模塊顯示食用菌大棚內(nèi)環(huán)境調(diào)控設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，可選擇設(shè)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(diào)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(yīng)的控制指令，設(shè)備控制系統(tǒng)獲取指令后對大棚調(diào)控設(shè)備做出相應(yīng)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(dāng)天天氣和季節(jié)條件，對大棚設(shè)置不同的種植指導(dǎo)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(diào)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(jié)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(zhǔn)備5～6個傳感器節(jié)點，1個網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)設(shè)備組網(wǎng)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(nèi)光照強度和二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)采集并發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點也可連接網(wǎng)絡(luò)，上傳數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。網(wǎng)絡(luò)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(shè)備準(zhǔn)確、實時做出相應(yīng)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(jié) 語

該食用菌大棚測控系統(tǒng)針對食用菌生產(chǎn)的實際需求，以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，進行物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測與設(shè)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(diào)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(nóng)業(yè)大棚的管理水平和生產(chǎn)效率。該系統(tǒng)可擴展性強，也適用于其他農(nóng)業(yè)大棚，具有較強的參考價值。