羊肚菌養殖環境監測系統設計與實現

摘 要：羊肚菌養殖對環境要求較為嚴格，養殖環境的適宜程度直接關系到羊肚菌的生長情況。因此，選擇STM32F103C8T6作為控制核心，設計了具有較好實時性的羊肚菌養殖環境監測系統，實現了羊肚菌養殖環境的溫濕度、光照強度、二氧化碳體積分數等環境參數的采集；通過WiFi模塊將環境數據傳輸至OneNET云平臺，并利用云平臺實現了數據的可視化，使得用戶能夠方便、快捷地查看羊肚菌養殖環境的實時狀況。

關鍵詞：羊肚菌；智慧農業；物聯網；WiFi模塊；OneNET云平臺；養殖環境監測

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）10-00-02

0 引 言

隨著計算機技術、網絡技術以及物聯網產業的飛速發展，智慧農業的建設與應用日益成熟，通過實時監測農作物的生長環境數據，適時調節環境溫濕度、光照強度、二氧化碳體積分數等，能夠有效提高農作物的產量與品質[1]。發展羊肚菌特色產業，逐漸成為部分地區開展農業科技扶貧，促進農戶增收的重要途徑之一。但羊肚菌的生長過程對溫度、濕度、光照以及二氧化碳體積分數等環境參數較為敏感，不適宜的環境指標易導致減產、病變，甚至死亡的情況，因此，設計一套基于物聯網技術的羊肚菌養殖環境監測系統，幫助農戶及時掌握羊肚菌生長環境信息，對于推動科學養殖規范、提高羊肚菌的產量和品質，推廣智慧農業建設，具有較為重要的現實意義。

1 羊肚菌養殖環境簡介

羊肚菌菌絲的適宜生長溫度為18～22 ℃，孢子萌發的適宜溫度為18～22 ℃，考慮到子實體在10～20 ℃時均能正常生長，但是在15～18 ℃時生長最快，如果溫度超過28 ℃，它的生長極為緩慢甚至停止[2]。

羊肚菌是一種喜陰涼的菌種，但在子實體生長期，光照對于它的生長有促進作用，微弱的散射光有利于羊肚菌的子實體生長和發育，一般光照強度為500～1 000 lx。在光照充足的地區養殖羊肚菌時，要做好遮陰避陽的措施，保證羊肚菌健康生長[3]。

羊肚菌在養殖時對于濕度也有一定的要求，空氣濕度以80%～90%RH為宜。它的菌絲在生長時，要求濕度稍低，但是在子實體形成和生長期需要大量水分，要及時增加濕度。

充足的氧氣對于羊肚菌的生長必不可少，一般栽培環境中的二氧化碳體積分數超過2×10-3時，其生長會受到阻礙，最明顯的就是子實體生長無力，出現畸形，甚至腐爛。

2 系統總體結構

本系統使用模塊化設計，以STM32F103C8T6作為系統控制核心；利用DHT11傳感器采集羊肚菌養殖環境的溫濕度，其輸出的數字信號可直接送至控制器進行處理，以有效簡化硬件電路[4]；利用SGP3氣體檢測傳感器采集羊肚菌養殖環境的二氧化碳體積分數；通過I2C協議實現BH1750光照強度傳感器與控制器的通信，獲取羊肚菌養殖環境的光照強度。此外，本系統在采用OLED顯示屏、蜂鳴器、LED作為現場數據顯示與系統報警模塊的基礎上，利用ESP8266-01S無線模塊將采集的環境數據上傳到數據服務器，并通過OneNET云平臺完成數據解析與可視化顯示，將羊肚菌養殖環境信息以圖表的形式呈現給用戶。

3 系統硬件設計

3.1 硬件總體結構設計

本系統的硬件部分主要包括主控單元模塊、環境監測模塊、顯示模塊、支持WiFi功能的通信模塊以及報警模塊[5]。系統硬件結構框圖如圖1所示。

主控單元的STM32F103C8T6是一款性價比較高的商用芯片，其工作電壓為2～3.6 V，擁有64 KB閃存、2個12位ADC、2個DMA、4個16位定時器等豐富的外設資源，能夠在保障穩定性、可靠性[6]的同時，降低系統的設計成本，有利于系統的大規模推廣。

3.2 硬件模塊設計

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其具有體積較小、功耗較低等特點。DHT11的供電電壓為3～5.5 V，電源引腳之間可通過增加一個100 nF的電容去耦濾波；DATA引腳并聯一個5 kΩ的上拉電阻，負責與主控單元同步通信，能夠完成40 bit/次的數據傳輸[7]。DHT11數字溫濕度檢測電路如圖2所示。

本系統的氣體檢測模塊采用具有多個傳感元件的金屬氧化物氣體傳感器—SGP30，其內部集成了4個氣體傳感元件，能夠輸出校準后的空氣質量信號[8]，主要用于監測羊肚菌養殖環境中的二氧化碳體積分數與空氣質量。此外，系統的WiFi通信模塊采用支持IEEE802.11 b/g/n協議，內置TCP/IP協議棧[9]的ESP8266-01S無線模塊，通過STM32F103C8T6控制單元的PA3引腳和PA2引腳分別與ESP8266-01S的TXD引腳和RXD引腳連接，實現控制單元與WiFi模塊的通信。

4 系統軟件設計

4.1 軟件總體設計

系統上電后控制單元將接收的羊肚菌養殖的溫濕度、光照強度、二氧化碳體積分數等環境參數傳送至OLED屏幕上實時顯示，同時判斷環境信息是否有利于羊肚菌生長，若環境數據會抑制羊肚菌的生長，系統將發出報警信號，并在光照強度低于預設閾值時，自動亮起白熾燈補光。系統的軟件設計流程如圖3所示。

此外，控制單元發送AT指令至WiFi通信模塊，利用ESP8266-01S模塊將羊肚菌養殖環境數據上傳至服務器，并在OneNET云平臺創建數據源、控件，將系統采集的羊肚菌生長環境數據導入至相應控件，實現數據的可視化處理，方便用戶通過云平臺實時查看羊肚菌養殖環境數據[10]。

4.2 WiFi模塊的軟件設計

系統通過ESP8266-01S無線模塊實現數據的遠程通信。ESP8266-01S支持AT指令集，能夠通過AT指令的相關設置實現ESP8266-01S的初始化、服務器連接等[11]。部分設置

如下：

（1）測試MCU-8266通信：AT，等待返回“OK”；

（2）軟復位8266：AT+RST；

（3）關閉TCP連接：AT+CIPCLOSE；

（4）設置8266工作模式為STA：AT+CWMODE=1，等待返回“OK”；

（5）使能STA模式下的DHCP：AT+CWDHCP=1，1，等待返回“OK”；

（6）連接WiFi：AT+CWJAP=＼\"\"WiFi名稱\"＼\"，＼\"\"WiFi密碼\"＼\"，等待返回“GOT IP”；

（7）連接OneNET服務器：AT+CIPSTART=＼\"TCP＼\"，＼\"\"服務器域名\"＼\"，\"服務器端口\"，等待返回“CONNECT”。

4.3 可視化界面設計

系統利用OneNET云平臺提供的免費服務創建了溫度、濕度、光照、二氧化碳體積分數等環境信息的數據源，并將ESP8266-01S模塊上傳的數據與相應數據源綁定；為每一個數據源創建相應的可視化控件，將采集的羊肚菌養殖環境數據以更友好的方式呈現給用戶，實現了用戶對羊肚菌養殖環境信息的遠程可視化查詢。用戶可視化界面如圖4所示。

5 結 語

隨著社會經濟水平的不斷提高，計算機、物聯網相關技術日益成熟，智能農業將向著高質量、低成本、全覆蓋等方面快速發展。本文介紹的羊肚菌養殖環境監測系統具有較低的經濟成本、精簡的系統功能、良好的可擴展性以及友好的用戶界面等優勢，為現代智慧農業發展，特別是為傳統小農生產模式向智慧化農業生產模式轉型提供了技術支撐。

參考文獻

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