基于物聯網的靈芝大棚智能測控系統

景瑞昊

山東理工大學 計算機科學與技術學院 山東 淄博 255000

引言

靈芝是著名的食藥用真菌，是我國一味傳統的名貴中藥，在民間就有“仙草”一稱。我國靈芝人工栽培己有60余年的歷史，隨著人民生活水平的不斷提高，以靈芝、孢子粉為原料的藥品及保健品的需求量不斷提高，近二十多年來靈芝越來越受到人們的重視，但野生靈芝資源有限，因此人工栽培規模也變得越來越大[1]。然而在栽培規模擴大的同時，出現了生產效率低下、自動化率低、感染率高等問題，嚴重地阻礙了我國靈芝產業的快速發展。

1 產品分析

1.1 產品介紹

基于物聯網技術、嵌入式技術和傳感器技術設計了一套低成本且具有較高現實使用價值的靈芝大棚智能測控系統。主控器通過DHT11溫濕度傳感器，感知靈芝大棚內的溫濕度情況，在本地OLED顯示屏幕以及用戶手機端App中；通過火焰傳感器模塊來檢測是否發生火災。整個系統分為手動模式和自動模式。在自動模式下，可以根據溫度和濕度的變化情況，自動調節是否需要打開水泵，調控大棚內的噴灑系統，進而調節大棚內的溫度、濕度，同時能將數據同步上傳到One NET物聯網云服務器，在手機上進行監測、控制；在手動模式下，可自行管理水泵及窗簾的開關[2]。用戶能夠通過手機直觀監控數據，遠距離調控，及時做出處理。

本系統由傳感器感知模塊、ESP8266無線傳輸模塊、繼電器控制電路、基于One NET物聯網的信息共享平臺、STM32芯片開發板部分組成，設計了以STM32單片機為控制核心的靈芝大棚環境監控系統，為規模化靈芝生產提供了現場實時快速檢測的智能質量監控的手段。

1.2 特色與創新

本設計主要創新的地方可歸于以下幾點：

1.2.1 在數據傳輸上。為了便于用戶的使用，使用ESP8266模塊，通過連接Wi-Fi的方式進行聯網，通過使用MQTT協議將數據打包上傳至云服務器，MQTT協議有多個語言版本，比如PHP、JAVA、Python、C等，面向較廣，基本可以在任何平臺使用，完成多個設備之間的數據傳遞，有開銷小、效率高、操作簡單等優勢。

1.2.2 在算法設計上。傳感器采集到靈芝的環境因子（溫度、濕度）的數據，但由于靈芝大棚內是一個復雜的系統，環境位置不同以及靈芝的呼吸作用等因素，導致靈芝大棚內環境因子存在時變性、非線性以及多因子耦合性等特點，綜上設計了溫濕度控制器，通過控制溫濕度在連續時間內的變化值，調整水泵噴灑的開啟或關閉，進而控制環境的溫度和濕度，使靈芝得到高效生產。

1.2.3 在軟件設計上。One NET云平臺不僅計算功能強大，而且最關鍵的優勢在于可以在云端進行軟件的監控界面的創建，可以通過設置按鍵或實時統計圖來監測控制靈芝大棚內的環境因子，這就極大程度的方便了整個系統的實用性。當終端設備與One NET云平臺建立連接后，下位機根據MQTT協議將數據打包上傳到云平臺，產生數據流，進而控制相應的組件，以完成需求[3]。

1.3 系統工作流程

首先打開電源按鍵，系統開始進入初始化，初始化完畢后準備連接Wi-Fi，當LED0閃爍一下后，表示聯網成功，自動進入手動模式。

在手動模式下，通過KEY1按鍵，可以控制繼電器松開或吸合狀態，從而控制水泵的打開或關閉。通過WK_UP按鍵可實現窗簾的打開或關閉，由于窗簾的打開或關閉需要數秒，因此在執行窗簾的打開或關閉狀態時，需要耐心等待窗簾的完全打開或關閉后再執行其他命令。

按下KEY0鍵可切換為自動模式。不管當前的水泵是何狀態，當切換為自動模式的瞬間，水泵會關閉，開始進入溫度、濕度自控算法，若溫度高于閾值或濕度低于閾值，都會打開水泵，進行降溫或提高空氣濕度，以達到靈芝適宜生長的環境狀態。在自動模式下，開啟或關閉水泵會使系統自動進入手動模式，窗簾按鍵不會導致此操作。

當設備接入網絡后，可通過手機App對設備進行遠程操作控制，可以查看實時大棚環境因子信息，以及對設備模式、窗簾和水泵的狀態選擇。

系統工作流程如圖1所示。

圖1 系統流程圖

2 系統硬件設計

2.1 主控制器

系統采用STM32F103RCT6作為主控制器。STM32F103RCT6芯片是一款高性能、低價格、低功耗的芯片，其內部集成了ADC、時鐘、定時器等豐富的資源。該芯片有強大的時鐘系統和高性能處理器，最高時鐘頻率能達到72MHz，可以高效地處理任務。

2.2 溫濕度采集電路設計

出芝時棚內溫度保持28～30℃，不超過35℃，空氣相對濕度不低于85%，合適的溫濕度對于靈芝在生長期尤為關鍵，是靈芝子實體變大、變優的最為關鍵因素。所以對室內溫濕度進行監控極為重要。本次設計中選用DHT11溫濕度傳感器對其進行監控采集，根據手冊查詢得知，該傳感器的采集溫度在-20～ 60℃，測量濕度為5%到95%RH，完全符合監測所需。

2.3 火焰傳感器模塊

靈芝大棚的投資成本相對于農民來講較大，一個靈芝大棚的成本在3～5萬元不等，一枚火星也能使數年的勞作化為烏有，因此，火災防護非常必要。在本次設計中，采用火焰傳感器模塊YL-38。

2.4 無線通信模塊設計[4]

對比無線通信方案，方案一：選用Zig Bee芯片，使用Zig Bee無線技術組成一個設備網絡，通過外設網關與手機進行通信。方案二：使用ESP8266系列無線Wi-Fi芯片，通過Wi-Fi直接進入互聯網，與服務器進行通訊。方案三：選用NB-IoT模組，購買物聯卡連接網絡。

無線通信模塊是除主控芯片外最重要的部分，決定了系統性能。Zig Bee可接入節點高達6萬多，但Zig Bee穿墻能力較弱、傳輸速率慢，且在使用時需配備Zig Bee網關支持才可與智能手機進行通信。NB-IoT指的是窄帶物聯網技術，它工作在授權頻段，核心是面向低端物聯網終端（低耗流），網絡速度較低，因此對命令下發或數據上傳限制較大。Wi-Fi在傳輸速率上具有較大優勢，且穿墻性能較強、覆蓋范圍廣，開發使用方便，能夠直接接入互聯網，其主要缺點是功耗大，網絡容量小。結合系統實際應用對比，方案二傳輸速率快、覆蓋范圍廣、穿墻性能好、使用方便，成本低廉。綜合考慮多種實際因素后，Wi-Fi模塊采用安信可科技開發的ESP8266-01S。

3 系統軟件設計

系統服務器采用的是中國移動物聯網提供的云服務器，下位機通過傳感器采集數據。主控制器將采集的數據通過Wi-Fi上傳到One NET云平臺，One NET云平臺提供了軟件監控界面的創建功能，極大程度上方便了整個系統的便捷性。當下位機與One NET云平臺建立連接后，根據MQTT協議將數據打包上傳到云端，產生數據流，進而控制相應的組件，同時用戶可以利用云平臺的命令下發功能對下位機進行遠程操作。

4 系統測試

4.1 硬件測試

打開電源按鍵，系統開始進入初始化，初始化完畢后準備連接Wi-Fi，當LED0閃爍一下后，表示聯網成功，進入手動模式，如圖2的OLED屏幕所示。

圖2 OLED顯示屏幕

在手動模式下，通過KEY1按鍵，可以控制繼電器松開或吸合狀態，從而控制水泵的打開或關閉。通過WK_UP按鍵可實現窗簾的打開或關閉，由于窗簾的打開或關閉需要數秒，因此在執行窗簾的打開或關閉狀態，導致程序無法運行其他指令。

按下KEY0鍵可切換為自動模式。不管當前的水泵是何狀態，當切換為自動模式的瞬間，水泵會關閉，開始運行溫度、濕度自控算法，若溫度高于閾值或濕度低于閾值，都會打開水泵，進行降溫或提高空氣濕度，以達到靈芝適宜生長的環境狀態。

通過按鍵中斷指令，控制各模塊的運行，經測試表明，反應靈敏度高、錯誤率低，適合靈芝大棚內運行。

4.2 軟件測試

軟件測試環節用到的測試軟件是基于One NET物聯網云服務器的設備云App，設備云App功能與One NET網站版相通。通過登錄賬號，設備云上即可顯示自己創建的設備信息。

點擊應用，進入設備后，硬件主控器通過ESP8266連接Wi-Fi進入互聯網，并通過MQTT協議，將各種數據信息傳輸到One NET云服務器，并能在手機上觀察信息[5]。

主頁面有3個按鈕，分別為模式選擇、水泵、窗簾。通過逐個測試，均能低時延的體現到硬件設備，硬件設備能及時收到信息并處理。點擊水泵“ON”發送成功，“ON”與“OFF”均閃亮，這是由于One NET云服務器的刷新頻率最低為3s，因此需等待3s后，“OFF”光亮消失。

5 結束語

“農業+物聯網”是發展現代化農業信息技術的重要環節。經實地調查研究，設計基于物聯網的靈芝大棚智能測控系統，傳感器能夠實時采集靈芝大棚內周圍環境因子（溫度、濕度），為有效提高靈芝產量提供了必要保障。通過系統測試表明，該系統的性能穩定、便捷智能、體積小，適應棚內狹小空間，有效節省了人力物力。系統可實現數據實時顯示、火災報警、遠程智能控制等功能。有精度高、誤報率低、成本小等優點，能夠滿足靈芝環境測控工作，具有一定的應用價值。