菌類養殖大棚環境控制平臺設計

鄧悅 喻恒 王永濤

摘要：菌類養殖對于溫濕度、環境中的二氧化碳濃度等要求異常嚴格而一般的人工管理很難達到科學種植的要求。而如果不能實現大棚環境的遠程監控，其管理成本和設施成本都非常高，人工管理也無法實現便捷化和精準化，該文設計一個主控芯片基于樹莓派的，使用前后端語言分離設計Web網頁等技術實現的遠程監控及控制系統。該系統實現網站觀察溫濕度數據及變化折線圖，當溫濕度過低，低于設計的閾值是會自動地噴灑水，以達到降低溫濕度的目的，從而達到科學種植的目的，一定程度上降低了人工管理成本。

關鍵詞：菌類養殖;溫濕度;樹莓派

中圖分類號：S625;TP273? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）18-0220-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 背景

物聯網發展迅速，各國政府大力支持物聯網作為市場化產品，將其業務融入各個領域政策。發展所有農業領域，以實現平穩增長和生產增長，提高質量，調節生長周期和提高經濟效益的目標，使高產、優質的農業領域，更高效、環境友好的生產和清潔的生產[1]。結合現在一些比較先進的專業技術，采用一些較為貼近生活化的設計理念[2]，本文設計的菌類養殖基于運用運算能力強的樹莓派為主控板，DHT22溫濕度傳感器采集數據，數據庫存儲數據，Web頁面進行控制，WiFi模塊遠程通信，水泵的控制等技術，該菌類養殖以樹莓派為主控，結合數據庫，Web頁面實現，具有獲取溫濕度數據，上傳數據給數據庫，閾值設置，切換棚區查看其他棚區的狀態，控制水泵出水等。該系統模擬人員管理方式進行設計，完成了智能控制大棚，實現實時監控大棚環境[3-4]，降低了管理成本，實現人工管理便捷化和精準化。

2 菌類養殖系統應用設計

菌類養殖系統是以樹莓派作為主控板來實現。菌類養殖系統的溫濕度檢測電路是利用DHT11溫濕度傳感器節點從大棚里獲取溫濕度數據，再經過A/D 轉換器處理，輸送到樹莓派內處理之后可以對空氣溫濕度變化進行檢測和控制，也可以對溫濕度范圍重新設置，手動檢測用樹莓派接受到的數據處理之后發送指令到繼電器以控制水泵噴水。該設計的硬件電路主要由“Raspberry Pi Zero”系統電路、電源電路、溫濕度傳感器電路等電路共同構成。從數據庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數據，然后通過分析，將分析結果通過網頁的形式顯示出來，使用戶可以實時地查看大棚的溫濕度狀態，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，然后還可以切換棚區，查看其他棚區的狀態[5-6]。而Web頁面是響應式的，可以適應電腦，手機等應用設備顯示頁面，增加了良好的使用體驗。

3 菌類養殖軟硬件總體設計

菌類養殖系統的整體設計包括兩大部分。硬件設計和軟件設計。具體功能設計如圖1。

3.1 硬件設計

硬件部分是由運算能力強的Raspberry Zero作為主控板，獲取數據和控制是使用DHT22溫濕度傳感器和一路繼電器以及大功率直流液泵構建成的，具體設計如圖2所示。

3.1.1 主控模塊

該設計以raspberrypi zero作為為主控模塊，它是一款基于ARM的微型電腦主板，它安裝的操作系統為 LINUX以 SD 卡為內 存硬盤，而且它具備所有PC的基本功能，因為低價，性價比較高，使得它應用更加廣泛，本設計使用的是4代，芯片是博通 BCM2711，采用的通信模塊是WiFi模塊，并且其接口比較多，可以接收多方信息 并進行多方控制，同時無線網絡通信支持 2.4G和5G兩個頻段。

3.1.2 通信模塊

本設計樹莓派與服務器之間通訊采用WIFI模塊，使用的樹莓派中的WiFi模塊采用IEEE802.11ac無線標準，802.11ac的核心技術主要基于802.11a，既保證了向下兼容，同時使數據傳輸通道會大大擴充，提高了數據的傳輸速度。確保把收集到的周圍的環境信息及時地上傳給服務器。樹莓派與溫濕 度傳感器通過 RS - 485 總線進行通信，RS - 485 總線解決了采 集通道多的問題，從而保證本設計中各個大棚溫濕度傳感器采集的數據可以準確傳輸，水泵的開關是通過控制樹莓派上的I/O口控制繼電器來實現的，采用繼電器的原因是想以較小的電流、電壓去控制較大的電流、電壓。

3.1.3 數據采集模塊

數據采集是采用DHT11溫濕度傳感器，它有自己專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，保證了產品有卓越的長期穩定性和極高的可靠性。工作流程圖如圖3所示。

3.2 軟件設計

3.2.1 數據檢測模塊

各個DHT22溫濕度傳感器節點從大棚里獲取溫濕度數據，并將獲取的數據以及獲取數據的時間上傳給數據庫，并利用無線通信wifi技術將數據上傳服務器，服務器端對客戶端上傳的數據進行分析，合法性校驗，當通過傳感器采集到的數據超過或者低于閾值時，自動做出處理。

3.2.2 控制模塊

本設計的控制模塊設計了兩種模式，自動控制模式和手動命令控制。手動命令下達模式是通過Web端下達命令，主要是運用繼電器 與接觸器來控制系統設備的運行與停止，是脫離現場的手動模式， 自動控制模式為智能控制，該系統會根據大棚內部采集的溫濕度數據進行分析，繼而判斷是否達到我們設置的閾值，如果不是即進行自動控制，使大棚的內部環境始終保持 在適合菌類生長的適當的狀態。

3.2.3 數據存儲模塊

數據模塊主要運用mysql數據庫進行存儲，MySQL是開放源代碼的，對于菌類養殖來說，MySQL提供的功能已經綽綽有余并且還可以大大降低總體成本。同時溫濕度收集到的數據存放在不同的數據表中，增加了速度并提高了靈活性。它的這一個特點，對我們進行溫濕度數據分析，以及查詢等操作帶來了極大的便利。全局ER圖如圖4。

3.2.4 Web頁面

Web頁面前端運用html、css開發出靜態頁面，結合vue框架編寫，數據庫使用MySQL，Navicat15等服務實現網絡數據庫連接和處理。后端數據的獲取和數據的處理是基于Python的Django全棧框架實現處理此頁面功能有從數據庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數據，然后通過分析，將分析結果通過網頁的形式顯示出來，同時顯示每天溫濕度變化折線圖，使用戶可以實時地查看大棚的溫濕度狀態，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，然后還可以切換棚區，查看其他棚區的狀態。以及可以隨時手動檢測溫濕度，更有利于觀察。

4 系統調試

因為系統分為各個功能，而網頁也是采用前后端分離方式編寫，所以調試與測試需要分步驟進行調試，由于每個模塊需要測試標準的不同，測試要求也不一樣，因此對對應不同的功能設置不同的測試方法，使測試結果更具說服性和準確性。

4.1 設備故障檢測測試

設備故障檢測，主要用來測試當設備發生故障時，手機是否能收到郵件提醒，溫濕度是否會改變，水泵是否能正常出水。每次測試結束后記錄正常次數和不正常次數，進行系統的計算分析實現對設備故障檢測，

設備故障檢測的測試結果如下表2：

測試過程中失敗的原因為：后端郵件服務器出現錯誤，效率大于98%，所以功能基本能實現。

4.2 手動控制設備功能測試

手動控制設備功能檢測，主要測試當我們想獲取當前溫濕度時是否能正常獲取，獲取之后是否能進行正常的分析處理，觀察網頁數據是否發生變化每次測試結束后記錄能否準確數據，進行系統的計算分析實現對手動控制設備功能的測試。測試結果如下表3。

測試結果手動控制設備功能正常有效率超94%，失敗的原因是因為存在誤差，連續檢測時可能兩個時刻間溫度并沒有改變也屬于正常現象。

4.3 智能控制設備功能測試

智能控制設備測試，主要用來測試當檢測的度超過閾值，濕度低于閾值時，是否可以自動控制出水調節，通過調整某一位置大棚的溫度閾值超過傳感網節點檢測的溫度的方法進行測試，每次測試結束后記錄，進行系統的計算分析實現對智能控制設備的測試。測試結果如下表4。

測試有效率100%，所以該功能可以正常實現。

4.4 系統整體性評價

通過上面對各個部分的測評，系統的整體性能是好的，可以正常實現我們想要的功能，達到了我們理想的預期，但是該系統還是有不足之處，例如：個別功能存在誤差，這就降低了該系統整體性的性能。

5 結束語

本文根據智慧農業需求設計了用于智慧農業的菌類養殖，該系統適用于種植蔬菜大棚的管理，例如對溫濕度要求較高的羊肚菌的種植，菌類養殖系統主要為用戶提供有溫濕度檢測數據模塊、網頁顯示數據以及網頁控制澆水。各個傳感器節點從大棚里獲取溫濕度數據，并將獲取的數據以及獲取數據的時間上傳給數據庫，當溫濕度超過閾值或是網絡發來噴水請求則控制各節點的繼電器通電，控制液泵開始噴水。Web網頁，從數據庫里獲取溫濕度傳感器上傳的數據，然后通過分析，將分析結果通過網頁的形式顯示出來，使用戶可以實時的查看大棚的溫濕度狀態，同時可以通過Web頁面進行閾值設置，以及切換棚區，查看其他棚區的狀態。可以有效地減少人員管理成本，并且實現便捷化和精準化，達到了科學種植的目的[7]。

參考文獻：

[1] 喬常鑫，和明杰，石飛洋.淺談農業經濟增長對會計模式的影響[J].南方農機，2018，49（7）：112，120.

[2] 賈文珅，李孟楠，李雨，等.物聯網關鍵技術在設施農業中應用探討[J].食品安全質量檢測學報，2016，7（11）：4401-4407.

[3] 馬鑫堃，衛雅娜.基于物聯網技術的溫室智能監控系統[J].物聯網技術，2018，8（8）：101-103，106.

[4] 楊飛，謝濤，伍英，等.基于WIFI的農業物聯網溫室大棚環境監測系統的設計[J].計算機測量與控制，2017，25（2）：50-53.

[5] 張曉培，梁文海.基于移動端的溫室環境監控系統設計[J].農機化研究，2018，40（6）：215-219.

[6] 吳寶忠，任振輝，王娟.基于手機APP的溫室大棚溫濕度自動控制系統設計[J].中國農機化學報，2018，39（4）：68-71.

[7] 劉璐，劉光偉.關于物聯網的設施農業溫室大棚智能控制系統的研究[J].科技資訊，2018，16（24）：95-96.

【通聯編輯：謝媛媛】