金针菇种植环境智能监控系统设计研究

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摘要：农业自动化是现代农业的发展趋势，可以减少人力投入，提高农作物产量。本文使用物联网技术设计了一种金针菇智能种植系统。能够实时监测并自动调整金针菇种植过程中影响其生长的土壤温度、环境湿度、CO2浓度和光照强度等。实现金针菇种植环境的实时监控和自动控制,从而实现种植系统环境的精准控制，解决人工采集的难度大、成本高和采集滞后造成的种植产量低下等问题。文章通过使用不同种类的传感器来检测环境参数，实现物联网的功能，并将检测结果发送至云端，供用户实时查看。

关键词：物联网；自动控制；Arduino；Linkboy；环境监测

1研究背景

物联网（IOT）技术的概念起源于1999年，IOT即通过传感技术将各种事物通过射频识别等技术和互联网实现连接，进而实现事物的智能化识别与控制[1]。IOT技术在农业灌溉、环境监控、害虫防治、产品追溯等农业领域具有广泛研究与应用，通过传感器等感知设备能够识别、监测并获取各种农作物信息数据，实现农作物的精准种植和智慧管理[1]。随着IOT技术的迅猛发展,各发达国家都展开了IOT相关研究工作，IOT技术成为继计算机技术和互联网技术后的又一次信息化浪潮。我国是人口大国，可以认为农业经济就是我国民众经济的命脉,传统农业与IOT技术的结合能够大力提升农业自动化与智能化化水平，加快农业现代化的发展进程,促进国民经济的稳步增长。然而，在我国将农业种植与IOT技术的结合研究远远落后于其他发达国家水平，究其原因：我国农业生产长期处于弱势，种植的基础配套设施不够完善，自动化水平过低，这些都从根本上制约了我国农业自动化的快速发展[2]。据资料显示，我国基于IOT技术的智慧农业目前仍处于发展的初级阶段。智慧农业是以生活物资需求为目标，利用网络通信技术、自动控制技术、智能检测技术将农业生产检测与控制有关的设施进行集成，构建高效的植物生长环境管理系统。兼备植物整个生长周期的自动化管理、智能化检测于一体的高效、便利、优生产、低成本高收获的农业生产环境。物联网技术发展以来，智慧农业已经引起国内外的广泛关注，并已作为新一代的信息战略产业列入我国重大专项发展计划。我国已经有多个部门设立专项资金，加大对智慧农业的财政扶持力度，资金的投入和相关政策的制定为我国智慧农业的长远发展提供了可靠保证。经过多年的努力与发展，我国关于基于IOT技术的智慧农业技术研究取得了一定的成果[3]。近年来，IOT技术在农作物灌溉、种植环境监测与自动控制、病虫防治、产品朔源等领域已有广泛研究与应用。通过传感器设备识别、监测、获取各种农作物信息以及种植环境数据,实现智慧农业的自动化管理，已减少人力投入并提高农作物产量。采用IOT技术在农产品种植方面的研究非常广泛，但对于小规模种植的农户而言其智能化水平非常低，目前都是由种植人员到种植地手动采集数据并观测种植环境。这种方式不仅需要大量的人力，且容易因为测量误差导致无法精确控制环境，或者不能及时察觉环境的改变，从而导致农作物产量的下降。金针菇对其生长环境的要求极为苛刻，受环境的温度、湿度、土壤湿度以及光照的影响，很难人为控制它所生长环境的各类参数[4-5]。基于以上分析，为了实现金针菇的种植环境智能控制，以金针菇种植环境为例，本文基于Arduino控制器设计了一种金针菇种植环境智能监测系统，以提高小型种植基地的自动化管理水平。

2智能监测系统总体方案设计

本文基于Arduino平台设计一款金针菇种植环境智能监控系统，设计过程中采用linkboy软件图形化编程方式实现[6-9]。linkboy是一套创意展示平台，在这个集成化的开发平台上，包含了软件、电子、机械在内的一整套设计环境。该系统能够实时监测环境的温湿度、光照强度和CO2浓度，如果监测到环境参数不适合金针菇的相应生长时期，系统会自动打开相应设备调节温湿度、光照强度等，以优化环境参数。该系统可实现自动化智能管理，农户可以通过PC端随时随地了解大棚内的环境信息，不需要人为调控金针菇在不同阶段的环境参数值，降低人工成本和简化了繁杂的日常管理。该控制系统总体上可以分为三个模块：环境参数检测模块、控制模块以及客户端模块，系统的总体设计框架如图1所示。环境参数检测模块：通过温湿度传感器（DHT11）、红外二氧化碳浓度传感器（MH-Z14A）、土壤温湿度以及光照强度传感器（GY30_BH1750FVI）分别对环境温湿度、二氧化碳浓度、土壤培养基的湿度和光照强度进行检测，使用LCD1602液晶屏幕显示器显示这些环境参数值。再通过ESP8266WiFi模块将这些环境参数通过无线网络传输到贝壳物联的云平台上。环境参数控制模块：环境参数控制模块主要是应用于金针菇种植期间智能化调整环境参数。金针菇的生长主要需要经历三个阶段，即菌丝期、子实体期、抑制期。在这三个不同时期，金针菇生长所需的环境温湿度、光照强度、二氧化碳以及培养基湿度也是不同的，因此环境参数控制模块可根据金针菇生长所需的环境条件设置不同的环境参数范围。在不同的生长时期，当环境温度不在设置的参数范围内时，蜂鸣器报警并控制相应设备的开关，从而实现智能调整换环境参数。客户端模块：主要用于显示云平台接收到的环境参数值，供用户随时查看，方便快捷。本系统通过环境参数检测模块、环境参数控制模块及客户端模块三者之间的共同协作，对金针菇不同时期的生长环境进行各项智能的管理和控制，以达到金针菇在不同生长阶段的种植环境智能化管理。

3系统设计

根据第二章中总体系统模块划分，系统工作示意图如下图2所示。图2系统工作示意图

3.1硬件电路设计

硬件电路的核心部分是Arduino开发板[1][10]，环境参数监测模块使用温湿度传感器DHT11、红外二氧化碳浓度传感器MH-Z14A、以及光照强度传感器GY30_BH1750FVI。3.1.1环境检测传感器简介（1）红外二氧化碳传感器（MH-Z14A）：用于检测环境中的二氧化碳浓度，工作电压为4.5~5.5VDC，检测CO2浓度范围：0~10000ppm，技术指标。主要特点：高灵敏度、低功耗、优异的稳定性、温度补偿，卓越的线性输出、提供串口（UART）、模拟（DAC）、PWM波形等输出方式、使用寿命长。（2）温湿度传感器（DHT11）：是用来检测环境的温度和湿度，工作电压是3.3V~5.5V，数值范围是0~100RH/℃。相对温度与湿度两位一体测量传感器；全部校准，数字输出；超长的信号传输距离；超低能耗；完全互换。主要特点：表面采用镀镍处理，提高了导电性能，防止传感器接触土壤容易生锈问题，延长使用寿命。（3）光照传感器（GY30_BH1750FVI）：可以检测环境的光照强度，工作电压为3V~5V，光照度范围是0~65535lux。主要特点：直接数字输出，省略复杂计算；不区分环境光源；可对广泛的亮度进行1lux的高精度测定。3.1.2总体设计本系统设置了三个不同颜色的按钮来实现金针菇在不同时期所需的生长环境条件：白色按钮控制金针菇在菌丝期生长所需的环境温湿度、光照强度、培养基湿度以及二氧化碳浓度，绿色按钮控制金针菇在子实体期生长所需的环境温湿度、光照强度、培养基湿度以及二氧化碳浓度，红色按钮控制金针菇在抑制期生长所需的光照强度、二氧化碳浓度。参数控制器根据传感器反馈的环境参数通过编程实现对风扇、灯泡、水泵等设备的打开或关闭，实现金针菇生长环境的二氧化碳浓度、空气温湿度、培养基湿度以及光照强度的自动调节，使之满足金针菇生长的最佳环境参数范围，不需要人为干预。具体的硬件电路设计如图3所示。

3.2软件编程

为简便起见，本系统的开发软件采用linkboy。linkboy是一套创意展示平台，在这个集成化的开发平台上，包含了软件、电子、机械在内的一整套设计环境，linkboy为当前最流行的Arduino开发板配套的图形化开发平台，linkboy包括图形化编程与各类型的开发工具。除此之外，linkboy还提供framework\贝壳物联.lab框架系列和Ardunio、ARM-32型开发板，模拟通用外设与电子元器件，用户可以非常方便的仿真模拟。3.2.1环境参数检测通过反复监测温湿度传感器DHT11、红外二氧化碳浓度传感器MH-Z14A、以及光照强度传感器GY30_BH1750FVI的值，从而达到监测环境参数的目的。最后使用1602屏幕液晶显示器显示这些环境参数值。如下图4是环境温湿度、CO2执行与显示程序。图4环境温湿度、CO2执行与显示程序3.2.2环境参数控制金针菇的生长周期需要经历三个阶段：菌丝期、子实体期、抑制期。在这三个不同时期，金针菇生长所需的环境温湿度、光照强度、二氧化碳以及培养基湿度也是不同的，因此环境参数控制模块可根据金针菇生长所需的环境条件设置不同的环境参数范围。在菌丝期，要求环境温度在15~26℃，环境湿度不能高于70%RH，培养基湿度不能高于65%RH。如果温度高于26℃，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制冷风扇进行降温；如果温度低于15℃或环境湿度高于70%RH，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制热吹风机进行升温和降湿，使各环境参数值控制在合理范围内。在子实体期，要求环境温度在8~12℃，环境湿度不低于90%RH,空气中二氧化碳浓度不高于1500ppm,并且要求培养基湿度不能低于70%RH，要求光照强度在100Lux左右。如果温度大于12℃或者二氧化碳浓度高于1500ppm（在进行系统调试时，可能会受到许多环境因素影响，因此设置二氧化碳浓度大于500ppm即可）时，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制冷吹风机进行降温和通风；如果温度低于8℃或者环境湿度高于90%RH时，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制热吹风机进行升温和降湿；当光照强度小于100Lux时，打开灯泡进行补光，使各环境参数值控制在合理范围内。在抑制期的中、后期，要求环境温度在8~21℃，二氧化碳浓度不高于1500ppm，环境湿度不高于86%,光照强度在200Lux左右。如果温度大于21℃或者二氧化碳浓度高于1500ppm（在进行系统调试时，可能会受到许多环境因素影响，因此设置二氧化碳浓度大于500ppm即可）时，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制冷吹风机进行降温和通风；如果温度低于8℃或者环境湿度高于86%RH时，蜂鸣器报警、继电器接通，打开制热吹风机进行升温和降湿；当光照强度小于200Lux时，打开灯泡进行补光，使各环境参数值控制在合理范围内。3.2.3环境参数上传本系统通过ESP8266WIFI模块实现贝壳物联云平台与路由器账号互联，使得环境检测设备根据自身唯一的ID号入网。环境检测设备将检测到的环境温湿度、二氧化碳浓度、光照强度以及培养基的湿度值通过不同的数据接口上传到贝壳物联云平台。如下图3是通过linkboy将环境监测数据接入贝壳物联云平台。

3.3云平台显示

贝壳物联网云平台可以实现对硬件以及传感器的控制，通过互联网以对话、遥控器等形式与你的智能设备聊天、发送指令，查看实时数据，跟实际需求设置报警条件，通过APP、邮件、短信、微博、微信等方式通知用户。通过打开PC端的云平台，用户选择不同的参数选项即可以显示参数的历史值，系统间隔一段时间会自动更新参数。

4结语

本文设计的金针菇种植环境参数监测系统是专门为中、小型种植大棚实现自动化管理。本设计以Arduino为控制器，通过连接不同种类的传感器感知环境，并反馈给调控环境，达到控制环境参数的目的。使用linkboy软件平台进行编程实现相应功能，完成了对金针菇种植环境的智能监控与调控，实现农业的智能化管理。本设计是智能检测设备和自动调控管理于一体的农作物种植监控系统，大大提高了农业智能化水平，节约了人工成本，具有实际的应用和参考价值。

参考文献：

[1]毕洪文,李金霞,宋丽娟.基于文献的我国农业物联网研究发展态势分析[J].北方园艺,2015(24):200-206.

[2]崔敏.农业物联网研究与应用现状及发展对策[J].计算机与网络,2016,42(15):42.

[3]李健,王婧,康平,董润坚,王新阳,张亮.我国农业物联网技术应用现状及发展对策研究[J].内燃机与配件,2017(09):143-145.

[4]何轩辉,廖森泰,刘吉平.金针菇的食用和药用价值研究开发进展[J].广东农业科学,2008(03):70-72+94.

[5]李春红.金针菇高产栽培技术[J].河南农业,2014(01):47

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

[7]郝新春.创客教育的教学实践研究——以Snapt+Arduino平台为例[J].中国电化教育,2018,7(378):129-133.

作者：陈云 杨娜 姜发超 单位：黔南民族师范学院