金針菇種植環境智能監控系統設計研究

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摘要：農業自動化是現代農業的發展趨勢，可以減少人力投入，提高農作物產量。本文使用物聯網技術設計了一種金針菇智能種植系統。能夠實時監測并自動調整金針菇種植過程中影響其生長的土壤溫度、環境濕度、CO2濃度和光照強度等。實現金針菇種植環境的實時監控和自動控制,從而實現種植系統環境的精準控制，解決人工采集的難度大、成本高和采集滯后造成的種植產量低下等問題。文章通過使用不同種類的傳感器來檢測環境參數，實現物聯網的功能，并將檢測結果發送至云端，供用戶實時查看。

關鍵詞：物聯網；自動控制；Arduino；Linkboy；環境監測

1研究背景

物聯網（IOT）技術的概念起源于1999年，IOT即通過傳感技術將各種事物通過射頻識別等技術和互聯網實現連接，進而實現事物的智能化識別與控制[1]。IOT技術在農業灌溉、環境監控、害蟲防治、產品追溯等農業領域具有廣泛研究與應用，通過傳感器等感知設備能夠識別、監測并獲取各種農作物信息數據，實現農作物的精準種植和智慧管理[1]。隨著IOT技術的迅猛發展,各發達國家都展開了IOT相關研究工作，IOT技術成為繼計算機技術和互聯網技術后的又一次信息化浪潮。我國是人口大國，可以認為農業經濟就是我國民眾經濟的命脈,傳統農業與IOT技術的結合能夠大力提升農業自動化與智能化化水平，加快農業現代化的發展進程,促進國民經濟的穩步增長。然而，在我國將農業種植與IOT技術的結合研究遠遠落后于其他發達國家水平，究其原因：我國農業生產長期處于弱勢，種植的基礎配套設施不夠完善，自動化水平過低，這些都從根本上制約了我國農業自動化的快速發展[2]。據資料顯示，我國基于IOT技術的智慧農業目前仍處于發展的初級階段。智慧農業是以生活物資需求為目標，利用網絡通信技術、自動控制技術、智能檢測技術將農業生產檢測與控制有關的設施進行集成，構建高效的植物生長環境管理系統。兼備植物整個生長周期的自動化管理、智能化檢測于一體的高效、便利、優生產、低成本高收獲的農業生產環境。物聯網技術發展以來，智慧農業已經引起國內外的廣泛關注，并已作為新一代的信息戰略產業列入我國重大專項發展計劃。我國已經有多個部門設立專項資金，加大對智慧農業的財政扶持力度，資金的投入和相關政策的制定為我國智慧農業的長遠發展提供了可靠保證。經過多年的努力與發展，我國關于基于IOT技術的智慧農業技術研究取得了一定的成果[3]。近年來，IOT技術在農作物灌溉、種植環境監測與自動控制、病蟲防治、產品朔源等領域已有廣泛研究與應用。通過傳感器設備識別、監測、獲取各種農作物信息以及種植環境數據,實現智慧農業的自動化管理，已減少人力投入并提高農作物產量。采用IOT技術在農產品種植方面的研究非常廣泛，但對于小規模種植的農戶而言其智能化水平非常低，目前都是由種植人員到種植地手動采集數據并觀測種植環境。這種方式不僅需要大量的人力，且容易因為測量誤差導致無法精確控制環境，或者不能及時察覺環境的改變，從而導致農作物產量的下降。金針菇對其生長環境的要求極為苛刻，受環境的溫度、濕度、土壤濕度以及光照的影響，很難人為控制它所生長環境的各類參數[4-5]?；谝陨戏治?，為了實現金針菇的種植環境智能控制，以金針菇種植環境為例，本文基于Arduino控制器設計了一種金針菇種植環境智能監測系統，以提高小型種植基地的自動化管理水平。

2智能監測系統總體方案設計

本文基于Arduino平臺設計一款金針菇種植環境智能監控系統，設計過程中采用linkboy軟件圖形化編程方式實現[6-9]。linkboy是一套創意展示平臺，在這個集成化的開發平臺上，包含了軟件、電子、機械在內的一整套設計環境。該系統能夠實時監測環境的溫濕度、光照強度和CO2濃度，如果監測到環境參數不適合金針菇的相應生長時期，系統會自動打開相應設備調節溫濕度、光照強度等，以優化環境參數。該系統可實現自動化智能管理，農戶可以通過PC端隨時隨地了解大棚內的環境信息，不需要人為調控金針菇在不同階段的環境參數值，降低人工成本和簡化了繁雜的日常管理。該控制系統總體上可以分為三個模塊：環境參數檢測模塊、控制模塊以及客戶端模塊，系統的總體設計框架如圖1所示。環境參數檢測模塊：通過溫濕度傳感器（DHT11）、紅外二氧化碳濃度傳感器（MH-Z14A）、土壤溫濕度以及光照強度傳感器（GY30_BH1750FVI）分別對環境溫濕度、二氧化碳濃度、土壤培養基的濕度和光照強度進行檢測，使用LCD1602液晶屏幕顯示器顯示這些環境參數值。再通過ESP8266WiFi模塊將這些環境參數通過無線網絡傳輸到貝殼物聯的云平臺上。環境參數控制模塊：環境參數控制模塊主要是應用于金針菇種植期間智能化調整環境參數。金針菇的生長主要需要經歷三個階段，即菌絲期、子實體期、抑制期。在這三個不同時期，金針菇生長所需的環境溫濕度、光照強度、二氧化碳以及培養基濕度也是不同的，因此環境參數控制模塊可根據金針菇生長所需的環境條件設置不同的環境參數范圍。在不同的生長時期，當環境溫度不在設置的參數范圍內時，蜂鳴器報警并控制相應設備的開關，從而實現智能調整換環境參數?？蛻舳四K：主要用于顯示云平臺接收到的環境參數值，供用戶隨時查看，方便快捷。本系統通過環境參數檢測模塊、環境參數控制模塊及客戶端模塊三者之間的共同協作，對金針菇不同時期的生長環境進行各項智能的管理和控制，以達到金針菇在不同生長階段的種植環境智能化管理。

3系統設計

根據第二章中總體系統模塊劃分，系統工作示意圖如下圖2所示。圖2系統工作示意圖

3.1硬件電路設計

硬件電路的核心部分是Arduino開發板[1][10]，環境參數監測模塊使用溫濕度傳感器DHT11、紅外二氧化碳濃度傳感器MH-Z14A、以及光照強度傳感器GY30_BH1750FVI。3.1.1環境檢測傳感器簡介（1）紅外二氧化碳傳感器（MH-Z14A）：用于檢測環境中的二氧化碳濃度，工作電壓為4.5~5.5VDC，檢測CO2濃度范圍：0~10000ppm，技術指標。主要特點：高靈敏度、低功耗、優異的穩定性、溫度補償，卓越的線性輸出、提供串口（UART）、模擬（DAC）、PWM波形等輸出方式、使用壽命長。（2）溫濕度傳感器（DHT11）：是用來檢測環境的溫度和濕度，工作電壓是3.3V~5.5V，數值范圍是0~100RH/℃。相對溫度與濕度兩位一體測量傳感器；全部校準，數字輸出；超長的信號傳輸距離；超低能耗；完全互換。主要特點：表面采用鍍鎳處理，提高了導電性能，防止傳感器接觸土壤容易生銹問題，延長使用壽命。（3）光照傳感器（GY30_BH1750FVI）：可以檢測環境的光照強度，工作電壓為3V~5V，光照度范圍是0~65535lux。主要特點：直接數字輸出，省略復雜計算；不區分環境光源；可對廣泛的亮度進行1lux的高精度測定。3.1.2總體設計本系統設置了三個不同顏色的按鈕來實現金針菇在不同時期所需的生長環境條件：白色按鈕控制金針菇在菌絲期生長所需的環境溫濕度、光照強度、培養基濕度以及二氧化碳濃度，綠色按鈕控制金針菇在子實體期生長所需的環境溫濕度、光照強度、培養基濕度以及二氧化碳濃度，紅色按鈕控制金針菇在抑制期生長所需的光照強度、二氧化碳濃度。參數控制器根據傳感器反饋的環境參數通過編程實現對風扇、燈泡、水泵等設備的打開或關閉，實現金針菇生長環境的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、培養基濕度以及光照強度的自動調節，使之滿足金針菇生長的最佳環境參數范圍，不需要人為干預。具體的硬件電路設計如圖3所示。

3.2軟件編程

為簡便起見，本系統的開發軟件采用linkboy。linkboy是一套創意展示平臺，在這個集成化的開發平臺上，包含了軟件、電子、機械在內的一整套設計環境，linkboy為當前最流行的Arduino開發板配套的圖形化開發平臺，linkboy包括圖形化編程與各類型的開發工具。除此之外，linkboy還提供framework\貝殼物聯.lab框架系列和Ardunio、ARM-32型開發板，模擬通用外設與電子元器件，用戶可以非常方便的仿真模擬。3.2.1環境參數檢測通過反復監測溫濕度傳感器DHT11、紅外二氧化碳濃度傳感器MH-Z14A、以及光照強度傳感器GY30_BH1750FVI的值，從而達到監測環境參數的目的。最后使用1602屏幕液晶顯示器顯示這些環境參數值。如下圖4是環境溫濕度、CO2執行與顯示程序。圖4環境溫濕度、CO2執行與顯示程序3.2.2環境參數控制金針菇的生長周期需要經歷三個階段：菌絲期、子實體期、抑制期。在這三個不同時期，金針菇生長所需的環境溫濕度、光照強度、二氧化碳以及培養基濕度也是不同的，因此環境參數控制模塊可根據金針菇生長所需的環境條件設置不同的環境參數范圍。在菌絲期，要求環境溫度在15~26℃，環境濕度不能高于70%RH，培養基濕度不能高于65%RH。如果溫度高于26℃，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制冷風扇進行降溫；如果溫度低于15℃或環境濕度高于70%RH，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制熱吹風機進行升溫和降濕，使各環境參數值控制在合理范圍內。在子實體期，要求環境溫度在8~12℃，環境濕度不低于90%RH,空氣中二氧化碳濃度不高于1500ppm,并且要求培養基濕度不能低于70%RH，要求光照強度在100Lux左右。如果溫度大于12℃或者二氧化碳濃度高于1500ppm（在進行系統調試時，可能會受到許多環境因素影響，因此設置二氧化碳濃度大于500ppm即可）時，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制冷吹風機進行降溫和通風；如果溫度低于8℃或者環境濕度高于90%RH時，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制熱吹風機進行升溫和降濕；當光照強度小于100Lux時，打開燈泡進行補光，使各環境參數值控制在合理范圍內。在抑制期的中、后期，要求環境溫度在8~21℃，二氧化碳濃度不高于1500ppm，環境濕度不高于86%,光照強度在200Lux左右。如果溫度大于21℃或者二氧化碳濃度高于1500ppm（在進行系統調試時，可能會受到許多環境因素影響，因此設置二氧化碳濃度大于500ppm即可）時，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制冷吹風機進行降溫和通風；如果溫度低于8℃或者環境濕度高于86%RH時，蜂鳴器報警、繼電器接通，打開制熱吹風機進行升溫和降濕；當光照強度小于200Lux時，打開燈泡進行補光，使各環境參數值控制在合理范圍內。3.2.3環境參數上傳本系統通過ESP8266WIFI模塊實現貝殼物聯云平臺與路由器賬號互聯，使得環境檢測設備根據自身唯一的ID號入網。環境檢測設備將檢測到的環境溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度以及培養基的濕度值通過不同的數據接口上傳到貝殼物聯云平臺。如下圖3是通過linkboy將環境監測數據接入貝殼物聯云平臺。

3.3云平臺顯示

貝殼物聯網云平臺可以實現對硬件以及傳感器的控制，通過互聯網以對話、遙控器等形式與你的智能設備聊天、發送指令，查看實時數據，跟實際需求設置報警條件，通過APP、郵件、短信、微博、微信等方式通知用戶。通過打開PC端的云平臺，用戶選擇不同的參數選項即可以顯示參數的歷史值，系統間隔一段時間會自動更新參數。

4結語

本文設計的金針菇種植環境參數監測系統是專門為中、小型種植大棚實現自動化管理。本設計以Arduino為控制器，通過連接不同種類的傳感器感知環境，并反饋給調控環境，達到控制環境參數的目的。使用linkboy軟件平臺進行編程實現相應功能，完成了對金針菇種植環境的智能監控與調控，實現農業的智能化管理。本設計是智能檢測設備和自動調控管理于一體的農作物種植監控系統，大大提高了農業智能化水平，節約了人工成本，具有實際的應用和參考價值。

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作者：陳云 楊娜 姜發超 單位：黔南民族師范學院