羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：羊肚菌養(yǎng)殖對(duì)環(huán)境要求較為嚴(yán)格，養(yǎng)殖環(huán)境的適宜程度直接關(guān)系到羊肚菌的生長(zhǎng)情況。因此，選擇STM32F103C8T6作為控制核心，設(shè)計(jì)了具有較好實(shí)時(shí)性的羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等環(huán)境參數(shù)的采集；通過(guò)WiFi模塊將環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸至OneNET云平臺(tái)，并利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可視化，使得用戶能夠方便、快捷地查看羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境的實(shí)時(shí)狀況。

關(guān)鍵詞：羊肚菌；智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；WiFi模塊；OneNET云平臺(tái)；養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）10-00-02

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)與應(yīng)用日益成熟，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，適時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等，能夠有效提高農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)[1]。發(fā)展羊肚菌特色產(chǎn)業(yè)，逐漸成為部分地區(qū)開(kāi)展農(nóng)業(yè)科技扶貧，促進(jìn)農(nóng)戶增收的重要途徑之一。但羊肚菌的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)溫度、濕度、光照以及二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等環(huán)境參數(shù)較為敏感，不適宜的環(huán)境指標(biāo)易導(dǎo)致減產(chǎn)、病變，甚至死亡的情況，因此，設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，幫助農(nóng)戶及時(shí)掌握羊肚菌生長(zhǎng)環(huán)境信息，對(duì)于推動(dòng)科學(xué)養(yǎng)殖規(guī)范、提高羊肚菌的產(chǎn)量和品質(zhì)，推廣智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)，具有較為重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境簡(jiǎn)介

羊肚菌菌絲的適宜生長(zhǎng)溫度為18～22 ℃，孢子萌發(fā)的適宜溫度為18～22 ℃，考慮到子實(shí)體在10～20 ℃時(shí)均能正常生長(zhǎng)，但是在15～18 ℃時(shí)生長(zhǎng)最快，如果溫度超過(guò)28 ℃，它的生長(zhǎng)極為緩慢甚至停止[2]。

羊肚菌是一種喜陰涼的菌種，但在子實(shí)體生長(zhǎng)期，光照對(duì)于它的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，微弱的散射光有利于羊肚菌的子實(shí)體生長(zhǎng)和發(fā)育，一般光照強(qiáng)度為500～1 000 lx。在光照充足的地區(qū)養(yǎng)殖羊肚菌時(shí)，要做好遮陰避陽(yáng)的措施，保證羊肚菌健康生長(zhǎng)[3]。

羊肚菌在養(yǎng)殖時(shí)對(duì)于濕度也有一定的要求，空氣濕度以80%～90%RH為宜。它的菌絲在生長(zhǎng)時(shí)，要求濕度稍低，但是在子實(shí)體形成和生長(zhǎng)期需要大量水分，要及時(shí)增加濕度。

充足的氧氣對(duì)于羊肚菌的生長(zhǎng)必不可少，一般栽培環(huán)境中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)超過(guò)2×10-3時(shí)，其生長(zhǎng)會(huì)受到阻礙，最明顯的就是子實(shí)體生長(zhǎng)無(wú)力，出現(xiàn)畸形，甚至腐爛。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)，以STM32F103C8T6作為系統(tǒng)控制核心；利用DHT11傳感器采集羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境的溫濕度，其輸出的數(shù)字信號(hào)可直接送至控制器進(jìn)行處理，以有效簡(jiǎn)化硬件電路[4]；利用SGP3氣體檢測(cè)傳感器采集羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)；通過(guò)I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)BH1750光照強(qiáng)度傳感器與控制器的通信，獲取羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境的光照強(qiáng)度。此外，本系統(tǒng)在采用OLED顯示屏、蜂鳴器、LED作為現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示與系統(tǒng)報(bào)警模塊的基礎(chǔ)上，利用ESP8266-01S無(wú)線模塊將采集的環(huán)境數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器，并通過(guò)OneNET云平臺(tái)完成數(shù)據(jù)解析與可視化顯示，將羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境信息以圖表的形式呈現(xiàn)給用戶。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分主要包括主控單元模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、支持WiFi功能的通信模塊以及報(bào)警模塊[5]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

主控單元的STM32F103C8T6是一款性價(jià)比較高的商用芯片，其工作電壓為2～3.6 V，擁有64 KB閃存、2個(gè)12位ADC、2個(gè)DMA、4個(gè)16位定時(shí)器等豐富的外設(shè)資源，能夠在保障穩(wěn)定性、可靠性[6]的同時(shí)，降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本，有利于系統(tǒng)的大規(guī)模推廣。

3.2 硬件模塊設(shè)計(jì)

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，其具有體積較小、功耗較低等特點(diǎn)。DHT11的供電電壓為3～5.5 V，電源引腳之間可通過(guò)增加一個(gè)100 nF的電容去耦濾波；DATA引腳并聯(lián)一個(gè)5 kΩ的上拉電阻，負(fù)責(zé)與主控單元同步通信，能夠完成40 bit/次的數(shù)據(jù)傳輸[7]。DHT11數(shù)字溫濕度檢測(cè)電路如圖2所示。

本系統(tǒng)的氣體檢測(cè)模塊采用具有多個(gè)傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器—SGP30，其內(nèi)部集成了4個(gè)氣體傳感元件，能夠輸出校準(zhǔn)后的空氣質(zhì)量信號(hào)[8]，主要用于監(jiān)測(cè)羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境中的二氧化碳體積分?jǐn)?shù)與空氣質(zhì)量。此外，系統(tǒng)的WiFi通信模塊采用支持IEEE802.11 b/g/n協(xié)議，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧[9]的ESP8266-01S無(wú)線模塊，通過(guò)STM32F103C8T6控制單元的PA3引腳和PA2引腳分別與ESP8266-01S的TXD引腳和RXD引腳連接，實(shí)現(xiàn)控制單元與WiFi模塊的通信。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后控制單元將接收的羊肚菌養(yǎng)殖的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等環(huán)境參數(shù)傳送至OLED屏幕上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)判斷環(huán)境信息是否有利于羊肚菌生長(zhǎng)，若環(huán)境數(shù)據(jù)會(huì)抑制羊肚菌的生長(zhǎng)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并在光照強(qiáng)度低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，自動(dòng)亮起白熾燈補(bǔ)光。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

此外，控制單元發(fā)送AT指令至WiFi通信模塊，利用ESP8266-01S模塊將羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器，并在OneNET云平臺(tái)創(chuàng)建數(shù)據(jù)源、控件，將系統(tǒng)采集的羊肚菌生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)導(dǎo)入至相應(yīng)控件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化處理，方便用戶通過(guò)云平臺(tái)實(shí)時(shí)查看羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)[10]。

4.2 WiFi模塊的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)ESP8266-01S無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。ESP8266-01S支持AT指令集，能夠通過(guò)AT指令的相關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)ESP8266-01S的初始化、服務(wù)器連接等[11]。部分設(shè)置

如下：

（1）測(cè)試MCU-8266通信：AT，等待返回“OK”；

（2）軟復(fù)位8266：AT+RST；

（3）關(guān)閉TCP連接：AT+CIPCLOSE；

（4）設(shè)置8266工作模式為STA：AT+CWMODE=1，等待返回“OK”；

（5）使能STA模式下的DHCP：AT+CWDHCP=1，1，等待返回“OK”；

（6）連接WiFi：AT+CWJAP=＼\"\"WiFi名稱\"＼\"，＼\"\"WiFi密碼\"＼\"，等待返回“GOT IP”；

（7）連接OneNET服務(wù)器：AT+CIPSTART=＼\"TCP＼\"，＼\"\"服務(wù)器域名\"＼\"，\"服務(wù)器端口\"，等待返回“CONNECT”。

4.3 可視化界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)利用OneNET云平臺(tái)提供的免費(fèi)服務(wù)創(chuàng)建了溫度、濕度、光照、二氧化碳體積分?jǐn)?shù)等環(huán)境信息的數(shù)據(jù)源，并將ESP8266-01S模塊上傳的數(shù)據(jù)與相應(yīng)數(shù)據(jù)源綁定；為每一個(gè)數(shù)據(jù)源創(chuàng)建相應(yīng)的可視化控件，將采集的羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)以更友好的方式呈現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境信息的遠(yuǎn)程可視化查詢。用戶可視化界面如圖4所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)日益成熟，智能農(nóng)業(yè)將向著高質(zhì)量、低成本、全覆蓋等方面快速發(fā)展。本文介紹的羊肚菌養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較低的經(jīng)濟(jì)成本、精簡(jiǎn)的系統(tǒng)功能、良好的可擴(kuò)展性以及友好的用戶界面等優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展，特別是為傳統(tǒng)小農(nóng)生產(chǎn)模式向智慧化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐。

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