基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究

嚴(yán)志雁，丁 建，陳桂鵬，梁 華

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所/江西省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200)

0 引言

食用菌工廠化生產(chǎn)是模擬生態(tài)環(huán)境、智能化控制、自動(dòng)化機(jī)械作業(yè)于一體的生產(chǎn)方式。協(xié)同控制光照強(qiáng)度、空氣溫度、濕度和CO2濃度等環(huán)境因子，使其適合食用菌生長(zhǎng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)食用菌優(yōu)質(zhì)高效的工廠化生產(chǎn)，提高食用菌的出菇率和產(chǎn)量，降低子實(shí)體畸形率有著良好的作用[1]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開展了食用菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究，如高百惠[2]對(duì)基于ZigBee技術(shù)的食用菌栽培環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；張宇[3]開展了食用菌生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；李建軍等[4]利用臺(tái)達(dá)DX2001L1網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)建了基于DIAView工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的木耳栽培溫室遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；馮麗鋒[5]利用ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)將終端節(jié)點(diǎn)采集的圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至協(xié)調(diào)器，采用S3C2440處理器構(gòu)建菇房網(wǎng)關(guān)，通過(guò)上位機(jī)食用菌生長(zhǎng)控制系統(tǒng)界面控制菇房環(huán)境。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也開展了物聯(lián)網(wǎng)在畜牧和家禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究[6-10]，水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[11-13]，溫室大棚環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究[14-17]。目前，食用菌工廠化生產(chǎn)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究大多數(shù)集中在數(shù)據(jù)采集端，以食用菌生產(chǎn)環(huán)境控制模型為核心的、集數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制一體化的解決方案目前鮮有報(bào)道。本文擬采用無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)獲取食用菌環(huán)境參數(shù)，基于PLC研發(fā)設(shè)備控制柜，依據(jù)感知的環(huán)境參數(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境設(shè)備控制模型，研發(fā)PC端和手機(jī)APP智能控制軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌工廠化生產(chǎn)主要環(huán)境參數(shù)的智能控制。

1 需求分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 需求分析

食用菌廠房環(huán)境具有以下特點(diǎn)：(1)在特定的生長(zhǎng)周期內(nèi)的環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定；(2)在特定的生長(zhǎng)周期內(nèi)，室內(nèi)無(wú)光照或少量光照；(3)有能通風(fēng)換氣、保溫、保濕的設(shè)備，環(huán)境控制設(shè)備較多，包括燈、風(fēng)機(jī)、加濕器、窗簾系統(tǒng)等。

針對(duì)上述特點(diǎn)，在滿足廠房環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)條件下，環(huán)境控制系統(tǒng)需滿足以下條件：(1)需給原有機(jī)械設(shè)備增加電源控制單元，解決服務(wù)器遠(yuǎn)程智能控制問(wèn)題；(2)采用統(tǒng)一模型解決菌房多種設(shè)備統(tǒng)一控制的問(wèn)題；(3)由于光線較暗，可取消視頻監(jiān)測(cè)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、存儲(chǔ)與查詢及遠(yuǎn)程設(shè)備控制，總體結(jié)構(gòu)見圖1，主要由環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成。

環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)集空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2濃度傳感器的多參數(shù)無(wú)線感知節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)包含WiFi通訊模塊，采集、匯集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。

設(shè)備控制系統(tǒng)：包括設(shè)備控制柜、窗簾系統(tǒng)、換氣設(shè)備、加濕設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備等。設(shè)備控制柜處于管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備之間，將如卷簾、風(fēng)機(jī)、燈等傳統(tǒng)設(shè)備納入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，達(dá)到遠(yuǎn)程智能控制廠區(qū)內(nèi)傳統(tǒng)設(shè)備的目的。

管理系統(tǒng)：包括監(jiān)控服務(wù)器、PC端管理軟件、移動(dòng)端管理軟件。主要功能有：(1)負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)入庫(kù)、數(shù)據(jù)可視化；(2)負(fù)責(zé)設(shè)置環(huán)境控制模型，實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)智能決策、發(fā)送設(shè)備工作指令等。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由無(wú)線感知終端和無(wú)線網(wǎng)關(guān)組成，采用的無(wú)線感知終端是由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所研制[18]，由供電系統(tǒng)、微控制器(STM32F103VE)、WiFi模塊、空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器(TSL2561t)、CO2濃度傳感器、JTAG調(diào)試接口組成，該感知節(jié)點(diǎn)主控板如圖2所示，調(diào)試與安裝圖如圖3所示。該終端讀取光照、空氣溫濕度、二氧化碳濃度等傳感器數(shù)據(jù)，然后將這些環(huán)境數(shù)據(jù)封裝成XML格式的“數(shù)據(jù)幀”，驅(qū)動(dòng)WiFi模塊發(fā)送“數(shù)據(jù)幀”到網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)采集過(guò)程如圖4所示。

圖2 無(wú)線感知終端主控板實(shí)物

圖3 無(wú)線感知終端安裝

感知數(shù)據(jù)發(fā)送：串口1通過(guò)WiFi模塊采取TCP/IP協(xié)議發(fā)送至已知的服務(wù)器端口，數(shù)據(jù)格式為XML格式[19]，具體代碼如下：

其中，num為設(shè)備編號(hào)，temperature為空氣溫度，humidity為空氣濕度，co2為二氧化碳濃度，lightIntensity為光照強(qiáng)度，time為數(shù)據(jù)采集時(shí)間。

圖4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序流程

2.2 設(shè)備控制系統(tǒng)

在生產(chǎn)過(guò)程中，食用菌廠房?jī)?nèi)需進(jìn)行智能控制的設(shè)備有窗簾系統(tǒng)、換風(fēng)機(jī)、加濕器、空調(diào)和補(bǔ)光燈，本文中設(shè)備具體型號(hào)是：窗簾系統(tǒng)為CL201701、換風(fēng)機(jī)型號(hào)為FS201741、加濕器型號(hào)為JSQ201801、補(bǔ)光燈型號(hào)為HCX-SYJ。控制柜開發(fā)選用的是RST-CD-016型PLC，它集成了16路開關(guān)量輸入和16路繼電器輸出，具有1個(gè)RS485通信接口，支持MODBUS RTU協(xié)議，系統(tǒng)使用PLC的RS485通信口與模塊(485轉(zhuǎn)RJ45)的對(duì)接，完成控制器與遠(yuǎn)程的通信?，F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備與PLC接線圖如圖5所示，KM為交流接觸器，SB為按鈕開關(guān)，SB與KM的常開主觸點(diǎn)相連。其工作原理為：通過(guò)KM選擇手動(dòng)控制還是智能控制方式，開關(guān)合下，表示手動(dòng)控制，負(fù)載設(shè)備通電并工作；SB不閉合，表示智能控制，當(dāng)收到遠(yuǎn)程開啟指令時(shí)，PLC輸出端繼電器接通，KM輔助觸點(diǎn)的閉合，負(fù)載設(shè)備通電并工作。

圖5 設(shè)備與PLC接線圖

控制器使用RS485串口(RS485轉(zhuǎn)RJ45)與服務(wù)器端進(jìn)行通訊，完成控制器與遠(yuǎn)程的通信。輸出端D01～D06控制窗簾開啟、關(guān)閉和停止；輸出端D07～D08控制補(bǔ)光燈開啟、關(guān)閉；輸出端D09～D010控制通風(fēng)機(jī)開啟、關(guān)閉，用于與室外通風(fēng)；輸出端D011～D012控制地面風(fēng)扇開啟、關(guān)閉，用于室內(nèi)空氣流通；輸出端D015～D016控制加濕器開啟、關(guān)閉。具體PLC輸出端具體功能如表1所示。

表1 PLC輸出功能表

2.3 管理系統(tǒng)

2.3.1 智能控制模型 通過(guò)對(duì)多位專家的調(diào)研及反饋，本文采用定時(shí)策略和定量策略開展對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制。定時(shí)策略是指在指定時(shí)間自動(dòng)操作設(shè)備；定量策略即在感知數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定的數(shù)值時(shí)自動(dòng)操作設(shè)備。換氣操作優(yōu)先于增濕操作，增濕操作優(yōu)先于增光或遮光操作，定時(shí)策略優(yōu)先于定量策略，即定時(shí)策略執(zhí)行時(shí)不執(zhí)行定量策略。

(1)空氣流通自動(dòng)控制：食用菌生長(zhǎng)對(duì)空氣條件有強(qiáng)烈的需求(如旺長(zhǎng)期對(duì)氧氣的需求)[20]，需要通過(guò)窗簾、地面風(fēng)扇、換風(fēng)機(jī)等設(shè)備來(lái)通風(fēng)。智能控制通風(fēng)設(shè)備需要精確和量化的環(huán)境參數(shù)指標(biāo)，目前沒(méi)有明確、量化的環(huán)境參數(shù)研究作為參考，本文依據(jù)食用菌專家的種植經(jīng)驗(yàn)，采用定時(shí)策略來(lái)進(jìn)行菌房的通風(fēng)。每天定時(shí)在9:00和16:00晚上開啟窗簾、地面風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)，快速通風(fēng)30 min。

(2)空氣濕度自動(dòng)控制：為滿足食用菌對(duì)空氣中水分的需求[21]，需要綜合使用加濕器(或水管)、地面風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)來(lái)增加空氣濕度。本文采用定量策略來(lái)對(duì)廠房加濕，使廠房?jī)?nèi)空氣濕度維持在75%～95%[22-23]。當(dāng)濕度低于75%時(shí)，開啟加濕器(或水管)及地面風(fēng)扇，高于95%時(shí)關(guān)閉加濕器(或水管)及地面風(fēng)扇。

(3)光照自動(dòng)控制：為使食用菌廠房?jī)?nèi)有少量的散射光線，需要綜合使用窗簾、補(bǔ)光燈將光照強(qiáng)度控制在500～1000 lx[24-25]。本文采用定時(shí)定量結(jié)合策略控制光照。當(dāng)白天時(shí)，自動(dòng)開啟或關(guān)閉窗簾系統(tǒng)，調(diào)整窗簾使透入廠房?jī)?nèi)的光恰好為1000 lx時(shí)。夜晚開啟補(bǔ)光燈，關(guān)閉窗簾，使光照強(qiáng)度控制在500 lx。

空氣溫濕度和光照的智能控制數(shù)據(jù)指標(biāo)如表2所示。

2.3.2 管理系統(tǒng)設(shè)計(jì) 管理系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心組成部分，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入的Windows服務(wù)、PC端智能控制系統(tǒng)和移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，總體架構(gòu)如圖6所示。

(1)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入的Windows服務(wù)。該服務(wù)用于獲取和解析終端發(fā)來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)和設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。該服務(wù)在服務(wù)器端監(jiān)聽服務(wù)器通訊TCP端口，接受和解析環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以XML格式數(shù)據(jù)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并存入服務(wù)器上MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。該Windows服務(wù)開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2017，開發(fā)語(yǔ)言為C#，采用Socket來(lái)監(jiān)聽和接口端口數(shù)據(jù)。

表2 智能控制參數(shù)

(2)PC端智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)頁(yè)面主要使用C#、html、JavaScript開發(fā)，開發(fā)工具為Visual Studio 2017，提供給用戶對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)信息的查看，設(shè)備的增刪改查、設(shè)備控制模型的設(shè)置(圖7)等功能，功能模塊如圖8所示。在主程序中，智能控制模型中定時(shí)和定量策略采用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體的代碼如下：

System.Timers.Timer timer=new System.Timers.Timer();

timer.Enabled=true;//設(shè)置是否執(zhí)行Elapsed事件

timer.Start();

timer.Interval=900;//設(shè)置時(shí)間間隔0.9秒

timer.Elapsed+=new ElapsedEventHandler(OperateEquipment);//綁定設(shè)備操作事件

定時(shí)策略中設(shè)備操作函數(shù)OperateEquipment()的時(shí)間判斷如下：

if (DateTime.Now.Hour ==7 && DateTime.Now.Minute == 00) //如果當(dāng)前時(shí)間是7點(diǎn)00分

InitializeEquipment(); //啟動(dòng)設(shè)備

if (DateTime.Now.Hour ==7 && DateTime.Now.Minute == 30) //如果當(dāng)前時(shí)間是7點(diǎn)30分

CloseEquipment(); //關(guān)閉設(shè)備

定量策略中設(shè)備操作函數(shù)OperateEquipment()的參數(shù)條件判斷如下(以空氣濕度為例)：

if (ParameterEnum.airHu midity≤75) InitializeEquipment(); //當(dāng)濕度小于75%啟動(dòng)設(shè)備

if (ParameterEnum.airHumidity≥95) CloseEquipment(); //當(dāng)濕度大于95%關(guān)閉設(shè)備

圖6 管理系統(tǒng)應(yīng)用框架

(3)移動(dòng)監(jiān)控軟件。本文研發(fā)了Android系統(tǒng)下的移動(dòng)監(jiān)控APP，提供智能手機(jī)環(huán)境下查看環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)情況和遠(yuǎn)程控制智能設(shè)備的功能。開發(fā)工具為Android studio 2.0，開發(fā)語(yǔ)言為Java，APP軟件的模塊設(shè)置見圖9。

①用戶管理模塊。用戶賬號(hào)要有具備操作廠房設(shè)備權(quán)限才能進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行查看和操作。Android自帶的內(nèi)存僅存儲(chǔ)日志數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息、設(shè)備的設(shè)置數(shù)據(jù)都要存在遠(yuǎn)程服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中。

②通信模塊。通過(guò)封裝Java的JDK文件中自帶的TCP 網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信。

③環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊。環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊從服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取該用戶關(guān)聯(lián)廠房的傳感器設(shè)備列表，并為每個(gè)傳感器建立數(shù)據(jù)列表，從服務(wù)器的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取該傳感器的感知數(shù)據(jù)，并在主界面上顯示。

④設(shè)備控制模塊。APP中感知數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)查詢操作直接向服務(wù)器中對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表查詢；APP中設(shè)備操作命令發(fā)送并存儲(chǔ)至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，由服務(wù)器上管理程序從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取命令，并向設(shè)備控制柜發(fā)送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。APP在執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)動(dòng)作后，設(shè)備狀態(tài)從服務(wù)器返回給APP，當(dāng)APP接收到這些信息后，在界面上更新設(shè)備狀態(tài)。

圖7 環(huán)境控制方案配置

圖8 管理系統(tǒng)模塊

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)顯示

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每隔10 s向服務(wù)器上傳1條數(shù)據(jù)，選取2018年12月12～18日、2019年3月23～29日、2019年4月21～25日共19 d的數(shù)據(jù)為樣本，測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，測(cè)試結(jié)果見表3。測(cè)試結(jié)果表明，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信丟包率為0.5%，平均成功率在99.5%以上，具有良好穩(wěn)定性。環(huán)境數(shù)據(jù)采集在服PC端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示見圖10、圖11。

圖9 APP軟件模塊

表3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

3.2 設(shè)備控制

3.2.1 移動(dòng)端APP設(shè)備控制 系統(tǒng)開發(fā)了安卓手機(jī)端APP應(yīng)用，主要功能包括：

(1)環(huán)境監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)顯示菌房的溫度、濕度、光照等信息(圖12)。

(2)設(shè)備控制：可通過(guò)設(shè)備控制功能界面(圖13)控制窗簾、地面風(fēng)扇、換風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等的工作狀態(tài)，也可依據(jù)2.3.1中的模型進(jìn)行自動(dòng)控制。

3.2.2 手動(dòng)控制 工作人員在現(xiàn)場(chǎng)開展生產(chǎn)活動(dòng)需要操控設(shè)備時(shí)，可通過(guò)按壓控制柜(圖14)上的開關(guān)，進(jìn)行設(shè)備控制(圖15、圖16)，如開啟或關(guān)閉窗簾系統(tǒng)、開啟或關(guān)閉換風(fēng)機(jī)、開啟或關(guān)閉加濕器、開啟或關(guān)閉燈、開啟或關(guān)閉地面風(fēng)扇。

4 討論與結(jié)論

在食用菌物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的研究上，針對(duì)缺少能夠開展環(huán)境控制設(shè)備的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和設(shè)備控制系統(tǒng)。系統(tǒng)底層采用嵌入式單片機(jī)與PLC相結(jié)合的方式，通過(guò)WiFi無(wú)線模塊進(jìn)行組網(wǎng)，并設(shè)計(jì)開發(fā)了手機(jī)APP和PC端控制臺(tái)，使系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信成功率為99%以上。

圖10 軟件首頁(yè)界面

圖11 服務(wù)器端環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖12 廠房環(huán)境監(jiān)測(cè)

針對(duì)智能控制環(huán)境的問(wèn)題，依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，本文通過(guò)單獨(dú)或組合使用定時(shí)策略和定量策略構(gòu)建了廠房?jī)?nèi)設(shè)備的自動(dòng)控制模型。目前仍然只能依靠專家的經(jīng)驗(yàn)值確定光、溫、水、氣等環(huán)境控制參數(shù)的精確數(shù)值，這是在沒(méi)有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明的最優(yōu)環(huán)境數(shù)值控制模型的替代方案，是一種系統(tǒng)的冷啟動(dòng)問(wèn)題。在后期研究中，應(yīng)研究定量的光、溫、水、氣條件下特定食用菌品種最優(yōu)生產(chǎn)環(huán)境條件，完善自動(dòng)控制模型的參數(shù)值。

該系統(tǒng)在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)微生物應(yīng)用研究所進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可控設(shè)備多，節(jié)約人力和用電。作為現(xiàn)代化食用菌種植的示范，該系統(tǒng)可為種植戶的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐，在工廠化菌種培養(yǎng)、商品生產(chǎn)、食用菌研究等領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用中，為建設(shè)全產(chǎn)業(yè)鏈大數(shù)據(jù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐和服務(wù)。

圖13 遠(yuǎn)程設(shè)備控制

圖14 設(shè)備控制柜

圖15 窗簾控制、加濕器與空調(diào)

圖16 感知終端、補(bǔ)光燈與風(fēng)扇

基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集食用菌生產(chǎn)的主要環(huán)境參數(shù)，智能控制相關(guān)調(diào)控設(shè)備，可用于食用菌工廠化生產(chǎn)。