基于物联网的食用菌大棚智能测控系统设计与实现

摘 要 ：食用菌大棚需要为食用菌提供合适的生长环境，针对当前传统大棚生产模式存在的问题，我们设计了一种基于物联网的食用菌大棚测控系统，以提高产量，减少人力物力的消耗。该系统借助ZigBee网络实现。在单个大棚内的多个位置放置环境检测终端节点，多个设备控制终端节点以及1个网关设备 ；网关设备通过ZigBee网络实时收集来自检测终端节点的环境参数数据，并通过MQTT协议将采集的数据实时上传至云服务器，之后将来自服务器的控制信息下发至设备控制终端节点。系统根据设定的最适生长环境参数对大棚环境进行智能化决策和调控，并为用户提供设计APP与网页，以及异常信息推送和设备控制服务，实现大棚的可视化自动管理。

0 引 言

食用菌产业是一项集经济效益、生态效益和社会效益于一体的农村经济发展项目，发展食用菌产业符合人们消费增长和农业可持续发展的需要，是农民快速致富的有效途径。我国虽然已逐渐成为食用菌生产的重要产地之一，但与国外食用菌的品质和产量相比还存在一定的差距，主要原因是食用菌生长过程中对不同环境因子的要求非常苟刻。所以，研究调控食用菌大棚环境因子影响其生长的理论和方法，是提升食用菌品质和产量的重点研究方向。

针对食用菌发展情况，本文利用物联网技术与数据分析技术，设计了一套智慧食用菌大棚测控系统，以实现食用菌生长环境的自动控制和设备管理 [1-10]，提高食用菌大棚化种植产量，减少人力物力的消耗，增产增效。

1 系统需求分析与结构设计1.1 系统需求分析

食用菌大棚的环境具备以下特征 ：

（1）在特定的生长阶段，环境参数相对稳定 ；

（2）在特定的生长时间内，室内无光照或少量光照 ；

（3）具有能够通风换气、保温、保湿的设备，环境控制设备较多(灯、风机、加湿器、窗帘、遮阳系统等）。

针对上述特点,要实现食用菌大棚测控系统需要满足以下条件 ：

（1）用有能够测量大棚光照强度、温度、湿度、CO2等环境参数的监测模块 ；拥有能够控制灯、风机、加湿器、窗帘、遮阳系统等设备的控制模块。

（2）能够将环境数据发送至网络服务器，对数据进行保存处理，并根据数据特征，对大棚设备做出相应的控制，以实现食用菌大棚环境的自动调节，保持最适宜食用菌生长的环境。

（3）能够对来自大棚的环境参数进行分析，根据不同类型食用菌的生长习性以及环境特点进行模糊化数据处理，实现环境稳定控制。

1.2 系统结构设计

图1为系统总体设计框图。为降低布线成本，提高系统可靠性，采用ZigBee无线通信技术和星状网络拓扑结构进行系统设计。由图1可知，本系统的功能主要分为五部分：

（1）环境参数信息的采集、上传模块；

（2）大棚设备控制系统；

（3）负责环境参数信息采集系统、设备控制系统与服务器进行信息交互的信息网关模块;

（4）环境参数信息的云服务器；

（5）大棚数据的移动端与PC端可视化展示与远程控制设备。

环境信息采集系统:该系统可实现空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、菌袋温湿度等参数的采集，以及信息无线传输。

网关模块:该模块负责通过ZigBee网络汇集环境信息采集系统发送的环境参数信息，将信息打包发送至服务器，并接收来自服务器的设备控制信息。

设备控制系统:由网关模块将来自服务器的控制信息转发至设备控制系统，并对设备(遮阳系统、喷洒系统、卷帘设备等)做出相应的控制动作。 软件管理系统:可视化系统包括两部分，即PC管理系统与移动端APP，主要实现数据的可视化查看与设备远程控制，并根据环境与气候特点推送相应的管理指导信息。 数据处理决策模型:该系统可将上传至服务器的数据储存至数据库，通过构建决策模型，根据实时数据判断当前环境是否适宜食用菌生长，并对设备进行实时调控。  2 系统设计与实现2.1 硬件系统设计本系统硬件主要由多个无线终端节点和网关节点组成,终端节点与网关模块均采用 CC2530芯片作为核心处理器，利用基于Ti公司开发的Z-Stack协议栈实现星形ZigBee网络拓扑进行无线通信。 Z-Stack工作时，系统初始化并启动OSAL，进入任务轮循等过程。Z-Stack系统运行流程如图2所示。

首先利用终端节点采集影响食用菌生长的环境参数因子，并将数据通过ZigBee网络传送至网关模块，网关模块利用MQTT协议将数据实时发送至服务器，服务器端对信息进行处理、储存、分析，并将分析后的数据传送至数据库进行匹配，给出合适的控制方案。之后将控制指令信息回传至网关模块，进而控制设备的控制系统。2.1.1 环境信息采集系统环境信息采集系统由基于ZigBee网络的无线感知传感器节点组成，该节点由3.7 V锂电池供电，采用CC2530作为核心控制器,外接空气温湿度传感器(SHT30,工作温度范围为-40 ～125℃，湿度范围为0%RH～100%RH，高精度防水防尘，I2C通信总线连接）、光照强度传感器（BH1750FVI，光照范围0～65 535 Lux，I2C通信总线连接）、红外二氧化碳传感器（JXM-CO2，二氧化碳浓度范围为0～50 000ppm，UART通信总线连接）等测量模块。系统实时监测数据，并将数据转发。2.1.2 设备控制系统设备控制系统包含多个无线控制终端节点，该节点由微处理器外接继电器进行设备控制。在食用菌的大棚化生产过程中，通过ZigBee无线控制终端节点将环境调控设备（洒水设备、遮阳设备、温控设备、补光设备、换气设备、卷帘设备等）纳入物联网系统，实现无线自动化智能调控。2.1.3 网关模块网关模块汇集并上传环境信息采集系统采集的数据，接收并转发来自服务器的设备控制指令。网关模块由CC2530和ME3616模块组成。 ME3616是一款支持NB-IoT通信标准的窄带蜂窝物联网通信模组，该模组具有低速率、低功耗、远距离等优点，支持多种网络协议(CoAP、TCP/UDP、MQTT)和多种低功耗模式(PSM、eDRX)。在NB-IoT制式下，该模块可以提供最大66 Kb/s上行速率和34 Kb/s下行速率。 网关模块上电初始化后，创建两条进程，一条进程负责收取环境采集系统的环境信息，然后将数据打包为JSON格式，通过串口连接ME3613模块，利用AT指令将数据发送至服务器，如图3所示 ；另一条进程负责接收来自服务器的控制指令，当服务器下发控制指令后，ME3616模块通过串口将数据发送至CC2530，CC2530转发给设备控制系统，对设备做出相应的控制，流程如图4所示。

2.2 软件设计方案

服务器端对来自环境的数据进行保存，根据实时数据，通过决策模型，计算出设备控制最佳方案，并设计网页端与移动端APP可视化软件控制系统。

2.2.1 数据储存决策模型

根据食用菌在不同生长阶段的特性，从数据库匹配出食用菌生长所需的最佳环境参数。设计食用菌生长阶段所允许的环境参数上、下限，利用大棚实时上传的环境数据，实现智能的环境监控以及设备控制，快速纠正偏离的环境参数，模型流程如图5所示。

2.2.2 软件管理系统设计食用菌大棚测控软件系统分为PC端与Android APP端，软件系统设计包括身份验证、实时数据、数据统计、设备控制、信息推送等模块，如图6所示。

身份验证模块用于验证用户身份，确保访问个人数据与信息访问的合法性。

实时数据模块显示食用菌大棚内多节点传感器采集的大棚数据。

数据统计模块将采集的环境参数(温度、湿度、CO2 浓度、光照强度)以可视化曲线的方式显示，便于用户观察食用菌大棚内的环境，并在分析后做出相应的改进，提高生产食用菌效率。

设备控制模块显示食用菌大棚内环境调控设备的当前状态，可选择设备的控制模式（智能控制或手动控制）。采取智能模式控制时，系统根据数据模糊处理模型给出的控制方案进行动态调控，实现自动化控制。手动模式下，可根据用户实际需求使用软件发出相应的控制指令，设备控制系统获取指令后对大棚调控设备做出相应的控制操作。

信息推送需依据大棚的环境数据信息。我们根据对食用菌大棚最适栽培条件与生长适宜范围的分析，利用大棚环境参数信息与当天天气和季节条件，对大棚设置不同的种植指导推送，便于用户了解大棚状况，根据自主需求对大棚进行调控，实现食用菌最佳生长环境的智能控制。

3 系统测试与结果分析

在实验室模拟食用菌大棚系统，每个食用菌大棚分别安装、准备5～6个传感器节点，1 个网关节点，1台PC电脑与可安装APP的手机。

系统测试硬件各节点与网关设备组网成功后，环境采集模块可将空气湿温度、菌袋温湿度、大棚内光照强度和二氧化碳浓度等数据采集并发送至网关节点，网关节点也可连接网络，上传数据并下发指令。网络管理平台与手机APP端对数据进行实时展示，通过点击控制，可快速下发指令，控制设备准确、实时做出相应动作。实验表明，该系统功耗低，稳定性良好，可以满足食用菌生长监控的需求。

4 结 语

该食用菌大棚测控系统针对食用菌生产的实际需求，以ZigBee网络为基础，进行物联网开发，实现数据监测与设备控制，并将数据进行可视化处理，实现最适宜环境的调节控制，以满足食用菌种植智能化、现代化的需求，提高农业大棚的管理水平和生产效率。该系统可扩展性强，也适用于其他农业大棚，具有较强的参考价值。  

审核编辑 ：李倩