菌类养殖大棚环境控制平台设计

    邓悦 喻恒 王永涛

    

    

    

    摘要：菌类养殖对于温湿度、环境中的二氧化碳浓度等要求异常严格而一般的人工管理很难达到科学种植的要求。而如果不能实现大棚环境的远程监控，其管理成本和设施成本都非常高，人工管理也无法实现便捷化和精准化，该文设计一个主控芯片基于树莓派的，使用前后端语言分离设计Web网页等技术实现的远程监控及控制系统。该系统实现网站观察温湿度数据及变化折线图，当温湿度过低，低于设计的阈值是会自动地喷洒水，以达到降低温湿度的目的，从而达到科学种植的目的，一定程度上降低了人工管理成本。

    关键词：菌类养殖;温湿度;树莓派

    中图分类号：S625;TP273? ? ? 文献标识码：A

    文章编号：1009-3044（2021）18-0220-03

    开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

    1 背景

    物联网发展迅速，各国政府大力支持物联网作为市场化产品，将其业务融入各个领域政策。发展所有农业领域，以实现平稳增长和生产增长，提高质量，调节生长周期和提高经济效益的目标，使高产、优质的农业领域，更高效、环境友好的生产和清洁的生产[1]。结合现在一些比较先进的专业技术，采用一些较为贴近生活化的设计理念[2]，本文设计的菌类养殖基于运用运算能力强的树莓派为主控板，DHT22温湿度传感器采集数据，数据库存储数据，Web页面进行控制，WiFi模块远程通信，水泵的控制等技术，该菌类养殖以树莓派为主控，结合数据库，Web页面实现，具有获取温湿度数据，上传数据给数据库，阈值设置，切换棚区查看其他棚区的状态，控制水泵出水等。该系统模拟人员管理方式进行设计，完成了智能控制大棚，实现实时监控大棚环境[3-4]，降低了管理成本，实现人工管理便捷化和精准化。

    2 菌类养殖系统应用设计

    菌类养殖系统是以树莓派作为主控板来实现。菌类养殖系统的温湿度检测电路是利用DHT11温湿度传感器节点从大棚里获取温湿度数据，再经过A/D 转换器处理，输送到树莓派内处理之后可以对空气温湿度变化进行检测和控制，也可以对温湿度范围重新设置，手动检测用树莓派接受到的数据处理之后发送指令到继电器以控制水泵喷水。该设计的硬件电路主要由“Raspberry Pi Zero”系统电路、电源电路、温湿度传感器电路等电路共同构成。从数据库里获取温湿度传感器上传的数据，然后通过分析，将分析结果通过网页的形式显示出来，使用户可以实时地查看大棚的温湿度状态，同时可以通过Web页面进行阈值设置，然后还可以切换棚区，查看其他棚区的状态[5-6]。而Web页面是响应式的，可以适应电脑，手机等应用设备显示页面，增加了良好的使用体验。

    3 菌类养殖软硬件总体设计

    菌类养殖系统的整体设计包括两大部分。硬件设计和软件设计。具体功能设计如图1。

    3.1 硬件设计

    硬件部分是由运算能力强的Raspberry Zero作为主控板，获取数据和控制是使用DHT22温湿度传感器和一路继电器以及大功率直流液泵构建成的，具体设计如图2所示。

    3.1.1 主控模块

    该设计以raspberrypi zero作为为主控模块，它是一款基于ARM的微型电脑主板，它安装的操作系统为 LINUX以 SD 卡为内 存硬盘，而且它具备所有PC的基本功能，因为低价，性价比较高，使得它应用更加广泛，本设计使用的是4代，芯片是博通 BCM2711，采用的通信模块是WiFi模块，并且其接口比较多，可以接收多方信息 并进行多方控制，同时无线网络通信支持 2.4G和5G两个频段。

    3.1.2 通信模块

    本设计树莓派与服务器之间通讯采用WIFI模块，使用的树莓派中的WiFi模块采用IEEE802.11ac无线标准，802.11ac的核心技术主要基于802.11a，既保证了向下兼容，同时使数据传输通道会大大扩充，提高了数据的传输速度。确保把收集到的周围的环境信息及时地上传给服务器。树莓派与温湿 度传感器通过 RS - 485 总线进行通信，RS - 485 总线解决了采 集通道多的问题，从而保证本设计中各个大棚温湿度传感器采集的数据可以准确传输，水泵的开关是通过控制树莓派上的I/O口控制继电器来实现的，采用继电器的原因是想以较小的电流、电压去控制较大的电流、电压。

    3.1.3 数据采集模块

    数据采集是采用DHT11温湿度传感器，它有自己专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，保证了产品有卓越的長期稳定性和极高的可靠性。工作流程图如图3所示。

    3.2 软件设计

    3.2.1 数据检测模块

    各个DHT22温湿度传感器节点从大棚里获取温湿度数据，并将获取的数据以及获取数据的时间上传给数据库，并利用无线通信wifi技术将数据上传服务器，服务器端对客户端上传的数据进行分析，合法性校验，当通过传感器采集到的数据超过或者低于阈值时，自动做出处理。

    3.2.2 控制模块

    本设计的控制模块设计了两种模式，自动控制模式和手动命令控制。手动命令下达模式是通过Web端下达命令，主要是运用继电器 与接触器来控制系统设备的运行与停止，是脱离现场的手动模式， 自动控制模式为智能控制，该系统会根据大棚内部采集的温湿度数据进行分析，继而判断是否达到我们设置的阈值，如果不是即进行自动控制，使大棚的内部环境始终保持 在适合菌类生长的适当的状态。

    3.2.3 数据存储模块

    数据模块主要运用mysql数据库进行存储，MySQL是开放源代码的，对于菌类养殖来说，MySQL提供的功能已经绰绰有余并且还可以大大降低总体成本。同时温湿度收集到的数据存放在不同的数据表中，增加了速度并提高了灵活性。它的这一个特点，对我们进行温湿度数据分析，以及查询等操作带来了极大的便利。全局ER图如图4。

    3.2.4 Web页面

    Web页面前端运用html、css开发出静态页面，结合vue框架编写，数据库使用MySQL，Navicat15等服务实现网络数据库连接和处理。后端数据的获取和数据的处理是基于Python的Django全栈框架实现处理此页面功能有从数据库里获取温湿度传感器上传的数据，然后通过分析，将分析结果通过网页的形式显示出来，同时显示每天温湿度变化折线图，使用户可以实时地查看大棚的温湿度状态，同时可以通过Web页面进行阈值设置，然后还可以切换棚区，查看其他棚区的状态。以及可以随时手动检测温湿度，更有利于观察。

    4 系统调试

    因为系统分为各个功能，而网页也是采用前后端分离方式编写，所以调试与测试需要分步骤进行调试，由于每个模块需要测试标准的不同，测试要求也不一样，因此对对应不同的功能设置不同的测试方法，使测试结果更具说服性和准确性。

    4.1 设备故障检测测试

    设备故障检测，主要用来测试当设备发生故障时，手机是否能收到邮件提醒，温湿度是否会改变，水泵是否能正常出水。每次测试结束后记录正常次数和不正常次数，进行系统的计算分析实现对设备故障检测，

    设备故障检测的测试结果如下表2：

    测试过程中失败的原因为：后端邮件服务器出现错误，效率大于98%，所以功能基本能实现。

    4.2 手动控制设备功能测试

    手动控制设备功能检测，主要测试当我们想获取当前温湿度时是否能正常获取，获取之后是否能进行正常的分析处理，观察网页数据是否发生变化每次测试结束后记录能否准确数据，进行系统的计算分析实现对手动控制设备功能的测试。测试结果如下表3。

    测试结果手动控制设备功能正常有效率超94%，失败的原因是因为存在误差，连续检测时可能两个时刻间温度并没有改变也属于正常现象。

    4.3 智能控制设备功能测试

    智能控制设备测试，主要用来测试当检测的度超过阈值，湿度低于阈值时，是否可以自动控制出水调节，通过调整某一位置大棚的温度阈值超过传感网节点检测的温度的方法进行测试，每次测试结束后记录，进行系统的计算分析实现对智能控制设备的测试。测试结果如下表4。

    测试有效率100%，所以该功能可以正常实现。

    4.4 系统整体性评价

    通过上面对各个部分的测评，系统的整体性能是好的，可以正常实现我们想要的功能，达到了我们理想的预期，但是该系统还是有不足之处，例如：个别功能存在误差，这就降低了该系统整体性的性能。

    5 结束语

    本文根据智慧农业需求设计了用于智慧农业的菌类养殖，该系统适用于种植蔬菜大棚的管理，例如对温湿度要求较高的羊肚菌的种植，菌类养殖系统主要为用户提供有温湿度检测数据模块、网页显示数据以及网页控制浇水。各个传感器节点从大棚里获取温湿度数据，并将获取的数据以及获取数据的时间上传给数据库，当温湿度超过阈值或是网络发来喷水请求则控制各节点的继电器通电，控制液泵开始喷水。Web网页，从数据库里获取温湿度传感器上传的数据，然后通过分析，将分析结果通过网页的形式显示出来，使用户可以实时的查看大棚的温湿度状态，同时可以通过Web页面进行阈值设置，以及切换棚区，查看其他棚区的状态。可以有效地减少人员管理成本，并且实现便捷化和精准化，达到了科学种植的目的[7]。

    参考文献：

    [1] 乔常鑫，和明杰，石飞洋.浅谈农业经济增长对会计模式的影响[J].南方农机，2018，49（7）：112，120.

    [2] 贾文珅，李孟楠，李雨，等.物联网关键技术在设施农业中应用探讨[J].食品安全质量检测学报，2016，7（11）：4401-4407.

    [3] 马鑫堃，卫雅娜.基于物联网技术的温室智能监控系统[J].物联网技术，2018，8（8）：101-103，106.

    [4] 杨飞，谢涛，伍英，等.基于WIFI的农业物联网温室大棚环境监测系统的设计[J].计算机测量与控制，2017，25（2）：50-53.

    [5] 张晓培，梁文海.基于移动端的温室环境监控系统设计[J].农机化研究，2018，40（6）：215-219.

    [6] 吴宝忠，任振辉，王娟.基于手机APP的温室大棚温湿度自动控制系统设计[J].中国农机化学报，2018，39（4）：68-71.

    [7] 刘璐，劉光伟.关于物联网的设施农业温室大棚智能控制系统的研究[J].科技资讯，2018，16（24）：95-96.

    【通联编辑：谢媛媛】