導(dǎo)語：金針菇種植環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：農(nóng)業(yè)自動(dòng)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢，可以減少人力投入，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。本文使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種金針菇智能種植系統(tǒng)。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測并自動(dòng)調(diào)整金針菇種植過程中影響其生長的土壤溫度、環(huán)境濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度等。實(shí)現(xiàn)金針菇種植環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動(dòng)控制,從而實(shí)現(xiàn)種植系統(tǒng)環(huán)境的精準(zhǔn)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(chǎn)量低下等問題。文章通過使用不同種類的傳感器來檢測環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能，并將檢測結(jié)果發(fā)送至云端，供用戶實(shí)時(shí)查看。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；自動(dòng)控制；Arduino；Linkboy；環(huán)境監(jiān)測

1研究背景

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）技術(shù)的概念起源于1999年，IOT即通過傳感技術(shù)將各種事物通過射頻識(shí)別等技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)事物的智能化識(shí)別與控制[1]。IOT技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉、環(huán)境監(jiān)控、害蟲防治、產(chǎn)品追溯等農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有廣泛研究與應(yīng)用，通過傳感器等感知設(shè)備能夠識(shí)別、監(jiān)測并獲取各種農(nóng)作物信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的精準(zhǔn)種植和智慧管理[1]。隨著IOT技術(shù)的迅猛發(fā)展,各發(fā)達(dá)國家都展開了IOT相關(guān)研究工作，IOT技術(shù)成為繼計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)后的又一次信息化浪潮。我國是人口大國，可以認(rèn)為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)就是我國民眾經(jīng)濟(jì)的命脈,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與IOT技術(shù)的結(jié)合能夠大力提升農(nóng)業(yè)自動(dòng)化與智能化化水平，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展進(jìn)程,促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長。然而，在我國將農(nóng)業(yè)種植與IOT技術(shù)的結(jié)合研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他發(fā)達(dá)國家水平，究其原因：我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)長期處于弱勢，種植的基礎(chǔ)配套設(shè)施不夠完善，自動(dòng)化水平過低，這些都從根本上制約了我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展[2]。據(jù)資料顯示，我國基于IOT技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)目前仍處于發(fā)展的初級(jí)階段。智慧農(nóng)業(yè)是以生活物資需求為目標(biāo)，利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、智能檢測技術(shù)將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)檢測與控制有關(guān)的設(shè)施進(jìn)行集成，構(gòu)建高效的植物生長環(huán)境管理系統(tǒng)。兼?zhèn)渲参镎麄€(gè)生長周期的自動(dòng)化管理、智能化檢測于一體的高效、便利、優(yōu)生產(chǎn)、低成本高收獲的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展以來，智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，并已作為新一代的信息戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)列入我國重大專項(xiàng)發(fā)展計(jì)劃。我國已經(jīng)有多個(gè)部門設(shè)立專項(xiàng)資金，加大對(duì)智慧農(nóng)業(yè)的財(cái)政扶持力度，資金的投入和相關(guān)政策的制定為我國智慧農(nóng)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展提供了可靠保證。經(jīng)過多年的努力與發(fā)展，我國關(guān)于基于IOT技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)研究取得了一定的成果[3]。近年來，IOT技術(shù)在農(nóng)作物灌溉、種植環(huán)境監(jiān)測與自動(dòng)控制、病蟲防治、產(chǎn)品朔源等領(lǐng)域已有廣泛研究與應(yīng)用。通過傳感器設(shè)備識(shí)別、監(jiān)測、獲取各種農(nóng)作物信息以及種植環(huán)境數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化管理，已減少人力投入并提高農(nóng)作物產(chǎn)量。采用IOT技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品種植方面的研究非常廣泛，但對(duì)于小規(guī)模種植的農(nóng)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(dòng)采集數(shù)據(jù)并觀測種植環(huán)境。這種方式不僅需要大量的人力，且容易因?yàn)闇y量誤差導(dǎo)致無法精確控制環(huán)境，或者不能及時(shí)察覺環(huán)境的改變，從而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量的下降。金針菇對(duì)其生長環(huán)境的要求極為苛刻，受環(huán)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(huán)境的各類參數(shù)[4-5]?；谝陨戏治?，為了實(shí)現(xiàn)金針菇的種植環(huán)境智能控制，以金針菇種植環(huán)境為例，本文基于Arduino控制器設(shè)計(jì)了一種金針菇種植環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)，以提高小型種植基地的自動(dòng)化管理水平。

2智能監(jiān)測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文基于Arduino平臺(tái)設(shè)計(jì)一款金針菇種植環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中采用linkboy軟件圖形化編程方式實(shí)現(xiàn)[6-9]。linkboy是一套創(chuàng)意展示平臺(tái)，在這個(gè)集成化的開發(fā)平臺(tái)上，包含了軟件、電子、機(jī)械在內(nèi)的一整套設(shè)計(jì)環(huán)境。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度，如果監(jiān)測到環(huán)境參數(shù)不適合金針菇的相應(yīng)生長時(shí)期，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開相應(yīng)設(shè)備調(diào)節(jié)溫濕度、光照強(qiáng)度等，以優(yōu)化環(huán)境參數(shù)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能管理，農(nóng)戶可以通過PC端隨時(shí)隨地了解大棚內(nèi)的環(huán)境信息，不需要人為調(diào)控金針菇在不同階段的環(huán)境參數(shù)值，降低人工成本和簡化了繁雜的日常管理。該控制系統(tǒng)總體上可以分為三個(gè)模塊：環(huán)境參數(shù)檢測模塊、控制模塊以及客戶端模塊，系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。環(huán)境參數(shù)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(qiáng)度傳感器（GY30_BH1750FVI）分別對(duì)環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度、土壤培養(yǎng)基的濕度和光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，使用LCD1602液晶屏幕顯示器顯示這些環(huán)境參數(shù)值。再通過ESP8266WiFi模塊將這些環(huán)境參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)截悮の锫?lián)的云平臺(tái)上。環(huán)境參數(shù)控制模塊：環(huán)境參數(shù)控制模塊主要是應(yīng)用于金針菇種植期間智能化調(diào)整環(huán)境參數(shù)。金針菇的生長主要需要經(jīng)歷三個(gè)階段，即菌絲期、子實(shí)體期、抑制期。在這三個(gè)不同時(shí)期，金針菇生長所需的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳以及培養(yǎng)基濕度也是不同的，因此環(huán)境參數(shù)控制模塊可根據(jù)金針菇生長所需的環(huán)境條件設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)范圍。在不同的生長時(shí)期，當(dāng)環(huán)境溫度不在設(shè)置的參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并控制相應(yīng)設(shè)備的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)智能調(diào)整換環(huán)境參數(shù)?？蛻舳四K：主要用于顯示云平臺(tái)接收到的環(huán)境參數(shù)值，供用戶隨時(shí)查看，方便快捷。本系統(tǒng)通過環(huán)境參數(shù)檢測模塊、環(huán)境參數(shù)控制模塊及客戶端模塊三者之間的共同協(xié)作，對(duì)金針菇不同時(shí)期的生長環(huán)境進(jìn)行各項(xiàng)智能的管理和控制，以達(dá)到金針菇在不同生長階段的種植環(huán)境智能化管理。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)第二章中總體系統(tǒng)模塊劃分，系統(tǒng)工作示意圖如下圖2所示。圖2系統(tǒng)工作示意圖

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路的核心部分是Arduino開發(fā)板[1][10]，環(huán)境參數(shù)監(jiān)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(qiáng)度傳感器GY30_BH1750FVI。3.1.1環(huán)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(huán)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(shù)指標(biāo)。主要特點(diǎn)：高靈敏度、低功耗、優(yōu)異的穩(wěn)定性、溫度補(bǔ)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(huán)境的溫度和濕度，工作電壓是3.3V~5.5V，數(shù)值范圍是0~100RH/℃。相對(duì)溫度與濕度兩位一體測量傳感器；全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出；超長的信號(hào)傳輸距離；超低能耗；完全互換。主要特點(diǎn)：表面采用鍍鎳處理，提高了導(dǎo)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(huán)境的光照強(qiáng)度，工作電壓為3V~5V，光照度范圍是0~65535lux。主要特點(diǎn)：直接數(shù)字輸出，省略復(fù)雜計(jì)算；不區(qū)分環(huán)境光源；可對(duì)廣泛的亮度進(jìn)行1lux的高精度測定。3.1.2總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)置了三個(gè)不同顏色的按鈕來實(shí)現(xiàn)金針菇在不同時(shí)期所需的生長環(huán)境條件：白色按鈕控制金針菇在菌絲期生長所需的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、培養(yǎng)基濕度以及二氧化碳濃度，綠色按鈕控制金針菇在子實(shí)體期生長所需的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、培養(yǎng)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(qiáng)度、二氧化碳濃度。參數(shù)控制器根據(jù)傳感器反饋的環(huán)境參數(shù)通過編程實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇、燈泡、水泵等設(shè)備的打開或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)金針菇生長環(huán)境的二氧化碳濃度、空氣溫濕度、培養(yǎng)基濕度以及光照強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使之滿足金針菇生長的最佳環(huán)境參數(shù)范圍，不需要人為干預(yù)。具體的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.2軟件編程

為簡便起見，本系統(tǒng)的開發(fā)軟件采用linkboy。linkboy是一套創(chuàng)意展示平臺(tái)，在這個(gè)集成化的開發(fā)平臺(tái)上，包含了軟件、電子、機(jī)械在內(nèi)的一整套設(shè)計(jì)環(huán)境，linkboy為當(dāng)前最流行的Arduino開發(fā)板配套的圖形化開發(fā)平臺(tái)，linkboy包括圖形化編程與各類型的開發(fā)工具。除此之外，linkboy還提供framework\貝殼物聯(lián).lab框架系列和Ardunio、ARM-32型開發(fā)板，模擬通用外設(shè)與電子元器件，用戶可以非常方便的仿真模擬。3.2.1環(huán)境參數(shù)檢測通過反復(fù)監(jiān)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(qiáng)度傳感器GY30_BH1750FVI的值，從而達(dá)到監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的目的。最后使用1602屏幕液晶顯示器顯示這些環(huán)境參數(shù)值。如下圖4是環(huán)境溫濕度、CO2執(zhí)行與顯示程序。圖4環(huán)境溫濕度、CO2執(zhí)行與顯示程序3.2.2環(huán)境參數(shù)控制金針菇的生長周期需要經(jīng)歷三個(gè)階段：菌絲期、子實(shí)體期、抑制期。在這三個(gè)不同時(shí)期，金針菇生長所需的環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳以及培養(yǎng)基濕度也是不同的，因此環(huán)境參數(shù)控制模塊可根據(jù)金針菇生長所需的環(huán)境條件設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)范圍。在菌絲期，要求環(huán)境溫度在15~26℃，環(huán)境濕度不能高于70%RH，培養(yǎng)基濕度不能高于65%RH。如果溫度高于26℃，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制冷風(fēng)扇進(jìn)行降溫；如果溫度低于15℃或環(huán)境濕度高于70%RH，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制熱吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行升溫和降濕，使各環(huán)境參數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)。在子實(shí)體期，要求環(huán)境溫度在8~12℃，環(huán)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(yǎng)基濕度不能低于70%RH，要求光照強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可能會(huì)受到許多環(huán)境因素影響，因此設(shè)置二氧化碳濃度大于500ppm即可）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制冷吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫和通風(fēng)；如果溫度低于8℃或者環(huán)境濕度高于90%RH時(shí)，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制熱吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行升溫和降濕；當(dāng)光照強(qiáng)度小于100Lux時(shí)，打開燈泡進(jìn)行補(bǔ)光，使各環(huán)境參數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)。在抑制期的中、后期，要求環(huán)境溫度在8~21℃，二氧化碳濃度不高于1500ppm，環(huán)境濕度不高于86%,光照強(qiáng)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(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，可能會(huì)受到許多環(huán)境因素影響，因此設(shè)置二氧化碳濃度大于500ppm即可）時(shí)，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制冷吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫和通風(fēng)；如果溫度低于8℃或者環(huán)境濕度高于86%RH時(shí)，蜂鳴器報(bào)警、繼電器接通，打開制熱吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行升溫和降濕；當(dāng)光照強(qiáng)度小于200Lux時(shí)，打開燈泡進(jìn)行補(bǔ)光，使各環(huán)境參數(shù)值控制在合理范圍內(nèi)。3.2.3環(huán)境參數(shù)上傳本系統(tǒng)通過ESP8266WIFI模塊實(shí)現(xiàn)貝殼物聯(lián)云平臺(tái)與路由器賬號(hào)互聯(lián)，使得環(huán)境檢測設(shè)備根據(jù)自身唯一的ID號(hào)入網(wǎng)。環(huán)境檢測設(shè)備將檢測到的環(huán)境溫濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度以及培養(yǎng)基的濕度值通過不同的數(shù)據(jù)接口上傳到貝殼物聯(lián)云平臺(tái)。如下圖3是通過linkboy將環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)接入貝殼物聯(lián)云平臺(tái)。

3.3云平臺(tái)顯示

貝殼物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件以及傳感器的控制，通過互聯(lián)網(wǎng)以對(duì)話、遙控器等形式與你的智能設(shè)備聊天、發(fā)送指令，查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，跟實(shí)際需求設(shè)置報(bào)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(tái)，用戶選擇不同的參數(shù)選項(xiàng)即可以顯示參數(shù)的歷史值，系統(tǒng)間隔一段時(shí)間會(huì)自動(dòng)更新參數(shù)。

4結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的金針菇種植環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是專門為中、小型種植大棚實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。本設(shè)計(jì)以Arduino為控制器，通過連接不同種類的傳感器感知環(huán)境，并反饋給調(diào)控環(huán)境，達(dá)到控制環(huán)境參數(shù)的目的。使用linkboy軟件平臺(tái)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，完成了對(duì)金針菇種植環(huán)境的智能監(jiān)控與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管理。本設(shè)計(jì)是智能檢測設(shè)備和自動(dòng)調(diào)控管理于一體的農(nóng)作物種植監(jiān)控系統(tǒng)，大大提高了農(nóng)業(yè)智能化水平，節(jié)約了人工成本，具有實(shí)際的應(yīng)用和參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]畢洪文,李金霞,宋麗娟.基于文獻(xiàn)的我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展態(tài)勢分析[J].北方園藝,2015(24):200-206.

[2]崔敏.農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J].計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò),2016,42(15):42.

[3]李健,王婧,康平,董潤堅(jiān),王新陽,張亮.我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2017(09):143-145.

[4]何軒輝,廖森泰,劉吉平.金針菇的食用和藥用價(jià)值研究開發(fā)進(jìn)展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(03):70-72+94.

[5]李春紅.金針菇高產(chǎn)栽培技術(shù)[J].河南農(nóng)業(yè),2014(01):47

[6]BaihaqiSiregar,SyahrilEfendi?,HeruPranoto,“Remotemonitoringsystemforhydroponicplantingmedia”，2017In-ternationalConferenceonICTForSmartSociety(ICISS),2017.

[7]郝新春.創(chuàng)客教育的教學(xué)實(shí)踐研究——以Snapt+Arduino平臺(tái)為例[J].中國電化教育,2018,7(378):129-133.

作者：陳云 楊娜 姜發(fā)超 單位：黔南民族師范學(xué)院