基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究.pdf

書江西農業(yè)學報 2019，31( 12):105113Acta Agriculturae Jiangxihttp: / /wwwjxnyxbcomDOI:1019386/jcnkijxnyxb20191219基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究嚴志雁，丁建，陳桂鵬*，梁華收稿日期:20191014基金項目:江西現(xiàn)代農業(yè)科研協(xié)同創(chuàng)新專項( JXXTCX20180102);江西省科技計劃項目( 20144BBF60021);江西省現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金( JXAS21農機信息化應用)。作者簡介:嚴志雁( 1982)，助理研究員，碩士，研究方向:農業(yè)信息技術。* 通信作者:陳桂鵬。(江西省農業(yè)科學院農業(yè)經(jīng)濟與信息研究所/江西省農業(yè)信息化工程技術研究中心，江西南昌 330200)摘 要:為實現(xiàn)食用菌優(yōu)質高效的工廠化生產，研究了基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)，以提高食用菌工廠化生產效率。設計了 XML格式的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用無線感知終端采集環(huán)境數(shù)據(jù)并發(fā)送到服務器;采用 STCD016型 PLC開發(fā)了設備控制柜;依據(jù)專家經(jīng)驗，采用定時和定量策略設計了食用菌的環(huán)境自動控制模型;開發(fā)了監(jiān)控設備數(shù)據(jù)接入的 Windows服務，采用 B/S結構研發(fā)了 PC 端的管理系統(tǒng)，開發(fā)了 Android 系統(tǒng)下的移動控制軟件。該系統(tǒng)環(huán)境感知信息數(shù)據(jù)傳輸平均丟包率為05%，系統(tǒng)既可采用設備控制柜手動控制廠房內設備，也可采用模型控制方式智能控制廠房內設備。關鍵詞:物聯(lián)網(wǎng);食用菌;環(huán)境監(jiān)控;智能中圖分類號:S646 文獻標志碼:A 文章編號:10018581( 2019) 12010509esearch on Intelligent Environment Control SystemBased on Internet of Things for Edible FungiYAN Zhiyan，DING Jian，CHEN Guipeng*，LIANG Hua( Institute of Agricultural Economics and information，Jiangxi Academy of Agricultural Sciences /Jiangxi Engineering esearch Center of Information Technology in Agriculture，Nanchang 330200，China)Abstract: In order to achieve highquality and efficient industrial production of edible fungi，we studied the intelligent con-trol system of edible fungi environment based on the Internet of Things to improve the efficiency of industrial production of ediblefungi We designed the environmental monitoring data in XML format，collected the environmental data by wireless sensing termi-nal and sent it to the server The equipment control cabinet was developed by STCD016 PLC According to the experience ofexperts，we designed the environment automatic control model of edible fungi by timing and quantitative strategy The Windowsservice of monitoring equipment data access was developed The intelligent monitoring software of PC was developed by using B/Sstructure，and the mobile of Android system was developed The systems environmentaware information data transmission aver-age packet loss rate was 05% The system could use the control cabinet to manually control the equipment in the plant，or use themodel control method to intelligently control the equipment in the plantKey words: Internet of Things; Edible fungi; Environmental monitoring; Intelligence0 引言食用菌工廠化生產是模擬生態(tài)環(huán)境、智能化控制、自動化機械作業(yè)于一體的生產方式。協(xié)同控制光照強度、空氣溫度、濕度和 CO2濃度等環(huán)境因子，使其適合食用菌生長，對實現(xiàn)食用菌優(yōu)質高效的工廠化生產，提高食用菌的出菇率和產量，降低子實體畸形率有著良好的作用1。國內外很多學者開展了食用菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究，如高百惠2對基于ZigBee技術的食用菌栽培環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了設計;張宇3開展了食用菌生產物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計; 李建軍等4利用臺達DX2001L1 網(wǎng)絡模塊構建了基于 DIAView 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺的木耳栽培溫室遠程控制系統(tǒng); 馮麗鋒5利用ZigBee無線傳感網(wǎng)將終端節(jié)點采集的圖像數(shù)據(jù)實時傳輸至協(xié)調器，采用 S3C2440 處理器構建菇房網(wǎng)關，通過上位機食用菌生長控制系統(tǒng)界面控制菇房環(huán)境。國內外很多學者也開展了物聯(lián)網(wǎng)在畜牧和家禽環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究610，水產養(yǎng)殖水質物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究1113，溫室大棚環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)研究1417。目前，食用菌工廠化生產的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究大多數(shù)集中在數(shù)據(jù)采集端，以食用菌生產環(huán)境控制模型為核心的、集數(shù)據(jù)采集與設備控制一體化的解決方案目前鮮有報道。本文擬采用無線感知節(jié)點獲取食用菌環(huán)境參數(shù)，基于PLC研發(fā)設備控制柜，依據(jù)感知的環(huán)境參數(shù)設計環(huán)境設備控制模型，研發(fā) PC 端和手機APP 智能控制軟件，實現(xiàn)對食用菌工廠化生產主要環(huán)境參數(shù)的智能控制。1 需求分析與系統(tǒng)結構11 需求分析食用菌廠房環(huán)境具有以下特點:( 1)在特定的生長周期內的環(huán)境相對穩(wěn)定;( 2)在特定的生長周期內，室內無光照或少量光照;( 3)有能通風換氣、保溫、保濕的設備，環(huán)境控制設備較多，包括燈、風機、加濕器、窗簾系統(tǒng)等。針對上述特點，在滿足廠房環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)條件下，環(huán)境控制系統(tǒng)需滿足以下條件:( 1) 需給原有機械設備增加電源控制單元，解決服務器遠程智能控制問題;( 2)采用統(tǒng)一模型解決菌房多種設備統(tǒng)一控制的問題;( 3) 由于光線較暗，可取消視頻監(jiān)測。12 系統(tǒng)結構系統(tǒng)功能包括環(huán)境數(shù)據(jù)信息的采集、存儲與查詢及遠程設備控制，總體結構見圖 1，主要由環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設備控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成。環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個集空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2濃度傳感器的多參數(shù)無線感知節(jié)點，該節(jié)點包含 WiFi 通訊模塊，采集、匯集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到服務器。設備控制系統(tǒng):包括設備控制柜、窗簾系統(tǒng)、換氣設備、加濕設備、補光設備等。設備控制柜處于管理系統(tǒng)和傳統(tǒng)機械設備之間，將如卷簾、風機、燈等傳統(tǒng)設備納入物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，達到遠程智能控制廠區(qū)內傳統(tǒng)設備的目的。管理系統(tǒng):包括監(jiān)控服務器、PC 端管理軟件、移動端管理軟件。主要功能有:( 1)負責接收遠程數(shù)據(jù)，包括實現(xiàn)數(shù)據(jù)解包、數(shù)據(jù)入庫、數(shù)據(jù)可視化;( 2)負責設置環(huán)境控制模型，實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)智能決策、發(fā)送設備工作指令等。圖1 系統(tǒng)總體架構2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)21 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由無線感知終端和無線網(wǎng)關組成，采用的無線感知終端是由江西省農業(yè)科學院農業(yè)經(jīng)濟與信息研究所研制18，由供電系統(tǒng)、微控制器( STM32F103VE)、WiFi 模塊、空氣溫濕度傳感器、光照強度傳感器( TSL2561t)、CO2濃度傳感器、JTAG 調試接口組成，該感知節(jié)點主控板如圖2 所示，調試與安裝圖如圖3 所示。該終端讀601 江 西 農 業(yè) 學 報 31卷取光照、空氣溫濕度、二氧化碳濃度等傳感器數(shù)據(jù)，然后將這些環(huán)境數(shù)據(jù)封裝成 XML 格式的“數(shù)據(jù)幀”，驅動 WiFi 模塊發(fā)送“數(shù)據(jù)幀”到網(wǎng)關。數(shù)據(jù)采集過程如圖4 所示。圖2 無線感知終端主控板實物圖3 無線感知終端安裝感知數(shù)據(jù)發(fā)送:串口 1 通過 WiFi 模塊采取TCP /IP 協(xié)議發(fā)送至已知的服務器端口，數(shù)據(jù)格式為 XML格式19，具體代碼如下:notenum1/numtemperature23/temperaturehumidity823/humidityco2420/co2lightIntensity14280/lightIntensitytime20190213 12:00:04/time/note其中，num 為設備編號，temperature 為空氣溫度，humidity 為空氣濕度，co2 為二氧化碳濃度，lightIntensity為光照強度，time為數(shù)據(jù)采集時間。圖4 監(jiān)測系統(tǒng)程序流程22 設備控制系統(tǒng)在生產過程中，食用菌廠房內需進行智能控制的設備有窗簾系統(tǒng)、換風機、加濕器、空調和補光燈，本文中設備具體型號是: 窗簾系統(tǒng)為CL201701、換風機型號為FS201741、加濕器型號為JSQ201801、補光燈型號為 HCXSYJ?？刂乒耖_發(fā)選用的是 STCD016型 PLC，它集成了16 路開關量輸入和16 路繼電器輸出，具有 1 個 S485 通信接口，支持 MODBUS TU 協(xié)議，系統(tǒng)使用 PLC的S485 通信口與模塊( 485 轉 J45) 的對接，完成控制器與遠程的通信?，F(xiàn)場控制設備與 PLC 接線圖如圖5 所示，KM 為交流接觸器，SB 為按鈕開關，SB與KM的常開主觸點相連。其工作原理為:通過KM選擇手動控制還是智能控制方式，開關合下，表示手動控制，負載設備通電并工作; SB 不閉合，表示智能控制，當收到遠程開啟指令時，PLC輸出端繼電器接通，KM 輔助觸點的閉合，負載設70112期 嚴志雁等:基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究備通電并工作。圖5 設備與PLC接線圖控制器使用S485 串口( S485 轉J45)與服務器端進行通訊，完成控制器與遠程的通信。輸出端D01 D06 控制窗簾開啟、關閉和停止;輸出端D07D08 控制補光燈開啟、關閉;輸出端 D09D010 控制通風機開啟、關閉，用于與室外通風;輸出端D011 D012 控制地面風扇開啟、關閉，用于室內空氣流通;輸出端 D015 D016 控制加濕器開啟、關閉。具體PLC輸出端具體功能如表1 所示。表1 PLC輸出功能表輸出端序號 控制內容 輸出端序號 控制內容D01 窗簾1開啟 D09 通風機1開啟D02 窗簾1關閉 D010 通風機1關閉D03 窗簾1停止 D011 地面風扇開啟D04 窗簾2停止 D012 地面風扇關閉D05 窗簾2停止 D013 空調開啟(未使用)D06 窗簾2停止 D014 空調關閉(未使用)D07 補光燈開啟 D015 加濕器開啟D08 補光燈關閉 D016 加濕器關閉23 管理系統(tǒng)231 智能控制模型 通過對多位專家的調研及反饋，本文采用定時策略和定量策略開展對設備的自動控制。定時策略是指在指定時間自動操作設備;定量策略即在感知數(shù)據(jù)達到設定的數(shù)值時自動操作設備。換氣操作優(yōu)先于增濕操作，增濕操作優(yōu)先于增光或遮光操作，定時策略優(yōu)先于定量策略，即定時策略執(zhí)行時不執(zhí)行定量策略。( 1)空氣流通自動控制:食用菌生長對空氣條件有強烈的需求(如旺長期對氧氣的需求)20，需要通過窗簾、地面風扇、換風機等設備來通風。智能控制通風設備需要精確和量化的環(huán)境參數(shù)指標，目前沒有明確、量化的環(huán)境參數(shù)研究作為參考，本文依據(jù)食用菌專家的種植經(jīng)驗，采用定時策略來進行菌房的通風。每天定時在9:00 和16:00晚上開啟窗簾、地面風扇、風機，快速通風30 min。( 2)空氣濕度自動控制:為滿足食用菌對空氣中水分的需求21，需要綜合使用加濕器(或水管)、地面風扇、風機來增加空氣濕度。本文采用定量策略來對廠房加濕，使廠房內空氣濕度維持在75% 95%2223。當濕度低于 75%時，開啟加濕器(或水管) 及地面風扇，高于 95%時關閉加濕器(或水管)及地面風扇。( 3)光照自動控制:為使食用菌廠房內有少量的散射光線，需要綜合使用窗簾、補光燈將光照強度控制在 500 1000 lx2425。本文采用定時定量結合策略控制光照。當白天時，自動開啟或關閉窗簾系統(tǒng)，調整窗簾使透入廠房內的光恰好為1000 lx時。夜晚開啟補光燈，關閉窗簾，使光照強度控制在500 lx?？諝鉁貪穸群凸庹盏闹悄芸刂茢?shù)據(jù)指標如表2 所示。232 管理系統(tǒng)設計 管理系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心組成部分，包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入的Windows服務、PC 端智能控制系統(tǒng)和移動監(jiān)控系統(tǒng)，總體架構如圖6 所示。( 1)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接入的 Windows 服務。該服務用于獲取和解析終端發(fā)來的環(huán)境數(shù)據(jù)和設801 江 西 農 業(yè) 學 報 31卷備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。該服務在服務器端監(jiān)聽服務器通訊TCP 端口，接受和解析環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以XML格式數(shù)據(jù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并存入服務器上MySQL 數(shù)據(jù)庫中。該 Windows 服務開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2017，開發(fā)語言為 C#，采用 Socket 來監(jiān)聽和接口端口數(shù)據(jù)。表2 智能控制參數(shù)參數(shù) 優(yōu)先級 控制策略 參數(shù)范圍及控制時間 控制機器空氣換氣 0 定時 時間:9:009:30 窗簾、風機、換風機時間:16:0016:30空氣濕度 1 定量 空氣濕度:75%95% 加濕器、地面風扇光照 2 定時+定量 時間:6:0017:00;光照5001000 lx 窗簾、補光燈時間:0:006:00、17:0024:00;光照5001000 lx( 2) PC端智能控制系統(tǒng)。系統(tǒng)頁面主要使用C#、html、JavaScript 開發(fā)，開發(fā)工具為 Visual Studio2017，提供給用戶對于環(huán)境監(jiān)測信息的查看，設備的增刪改查、設備控制模型的設置(圖 7) 等功能，功能模塊如圖8 所示。在主程序中，智能控制模型中定時和定量策略采用定時器來實現(xiàn)，具體的代碼如下:SystemTimersTimer timer= new SystemTimersTimer();timerEnabled = true; / /設置是否執(zhí)行 Elapsed事件timerStart();timerInterval=900; / /設置時間間隔09 秒timerElapsed+ = new ElapsedEventHandler( Op-erateEquipment); / /綁定設備操作事件定時策略中設備操作函數(shù) OperateEquipment()的時間判斷如下:if ( DateTime Now Hour = = 7 DateTimeNowMinute = = 00) / /如果當前時間是7 點00 分InitializeEquipment(); / /啟動設備if ( DateTime Now Hour = = 7 DateTimeNowMinute = = 30) / /如果當前時間是7 點30 分CloseEquipment(); / /關閉設備定量策略中設備操作函數(shù) OperateEquipment()的參數(shù)條件判斷如下(以空氣濕度為例):if ( ParameterEnum airHu midity75) Initial-izeEquipment(); / /當濕度小于75%啟動設備if ( ParameterEnum airHumidity 95 )CloseEquipment(); / /當濕度大于95%關閉設備圖6 管理系統(tǒng)應用框架( 3)移動監(jiān)控軟件。本文研發(fā)了 Android 系統(tǒng)下的移動監(jiān)控 APP，提供智能手機環(huán)境下查看環(huán)境實時監(jiān)測情況和遠程控制智能設備的功能。開發(fā)工具為Android studio 20，開發(fā)語言為Java，APP軟件的模塊設置見圖9。用戶管理模塊。用戶賬號要有具備操作廠房設備權限才能進入系統(tǒng)，進行查看和操作。An-droid 自帶的內存僅存儲日志數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的用戶數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)信息、設備的設置數(shù)據(jù)都要存在遠程服務器的MySQL數(shù)據(jù)庫中。通信模塊。通過封裝 Java 的 JDK 文件中自帶的TCP 網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，實現(xiàn)手機和服務器的數(shù)據(jù)通信。環(huán)境監(jiān)測模塊。環(huán)境監(jiān)測模塊從服務器數(shù)據(jù)庫中讀取該用戶關聯(lián)廠房的傳感器設備列表，并為每個傳感器建立數(shù)據(jù)列表，從服務器的MySQL數(shù)據(jù)庫中讀取該傳感器的感知數(shù)據(jù)，并在主界面上顯示。設備控制模塊。APP 中感知數(shù)據(jù)和設備狀態(tài)查詢操作直接向服務器中對應數(shù)據(jù)庫表查詢;90112期 嚴志雁等:基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究APP 中設備操作命令發(fā)送并存儲至服務器數(shù)據(jù)庫，由服務器上管理程序從數(shù)據(jù)庫中讀取命令，并向設備控制柜發(fā)送命令來實現(xiàn)設備控制。APP 在執(zhí)行設備的開關動作后，設備狀態(tài)從服務器返回給APP，當APP 接收到這些信息后，在界面上更新設備狀態(tài)。圖7 環(huán)境控制方案配置圖8 管理系統(tǒng)模塊3 結果與分析31 數(shù)據(jù)監(jiān)測及實時顯示環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)每隔10 s 向服務器上傳1 條數(shù)據(jù)，選取2018 年12 月1218 日、2019 年3 月2329 日、2019 年 4 月 21 25 日共 19 d 的數(shù)據(jù)為樣本，測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，測試結果見表3。測試結果表明，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信丟包率為05%，平均成功率在995%以上，具有良好穩(wěn)定性。環(huán)境數(shù)據(jù)采集在服 PC 端管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)展示見圖10、圖11。圖9 APP軟件模塊表3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)采集時間/(年/月/日) 應采集量/條 實際接收量/條 接收率/% 丟失率/%2018/12/122018/12/18 60480 60246 996 042019/3/232019/3/29 60480 60245 996 042019/5/162019/5/19 43200 42911 993 0732 設備控制321 移動端APP 設備控制 系統(tǒng)開發(fā)了安卓手機端APP 應用，主要功能包括:( 1)環(huán)境監(jiān)測:實時顯示菌房的溫度、濕度、光照等信息(圖12)。( 2)設備控制:可通過設備控制功能界面(圖13)控制窗簾、地面風扇、換風機、補光燈等的工作狀態(tài)，也可依據(jù)231 中的模型進行自動控制。322 手動控制 工作人員在現(xiàn)場開展生產活動需要操控設備時，可通過按壓控制柜(圖 14) 上的開關，進行設備控制(圖15、圖16)，如開啟或關閉窗簾系統(tǒng)、開啟或關閉換風機、開啟或關閉加濕器、開啟或關閉燈、開啟或關閉地面風扇。4 討論與結論在食用菌物聯(lián)網(wǎng)應用技術的研究上，針對缺少能夠開展環(huán)境控制設備的問題，本文設計實現(xiàn)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)，011 江 西 農 業(yè) 學 報 31卷包括環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和設備控制系統(tǒng)。系統(tǒng)底層采用嵌入式單片機與 PLC 相結合的方式，通過WiFi無線模塊進行組網(wǎng)，并設計開發(fā)了手機 APP和PC端控制臺，使系統(tǒng)具備遠程監(jiān)測和控制功能，環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通信成功率為99%以上。圖10 軟件首頁界面圖11 服務器端環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)圖12 廠房環(huán)境監(jiān)測針對智能控制環(huán)境的問題，依據(jù)專家經(jīng)驗，本文通過單獨或組合使用定時策略和定量策略構建了廠房內設備的自動控制模型。目前仍然只能依靠專家的經(jīng)驗值確定光、溫、水、氣等環(huán)境控制參數(shù)的精確數(shù)值，這是在沒有大量試驗數(shù)據(jù)證明的最優(yōu)環(huán)境數(shù)值控制模型的替代方案，是一種系統(tǒng)的冷啟動問題。在后期研究中，應研究定量的光、溫、水、氣條件下特定食用菌品種最優(yōu)生產環(huán)境條件，完善自動控制模型的參數(shù)值。該系統(tǒng)在江西省農業(yè)科學院農業(yè)微生物應用研究所進行測試，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可控設備多，節(jié)約人力和用電。作為現(xiàn)代化食用菌種植的11112期 嚴志雁等:基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能控制系統(tǒng)研究示范，該系統(tǒng)可為種植戶的生產經(jīng)營提供數(shù)據(jù)支撐，在工廠化菌種培養(yǎng)、商品生產、食用菌研究等領域的進一步推廣和應用中，為建設全產業(yè)鏈大數(shù)據(jù)平臺提供數(shù)據(jù)支撐和服務。圖13 遠程設備控制圖14 設備控制柜圖15 窗簾控制、加濕器與空調圖16 感知終端、補光燈與風扇基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)可實時采集食用菌生產的主要環(huán)境參數(shù)，智能控制相關調控設備，可用于食用菌工廠化生產。參考文獻:1韋會平，趙牧，周建平，等干熱河谷地區(qū)猴頭出菇環(huán)境控制技術研究J南方農業(yè)學報，2013，44( 1): 1351392高百惠基于 ZigBee 技術的食用菌栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究D哈爾濱:東北農業(yè)大學，20143張宇食用菌生產物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)控系統(tǒng)的構建與應用D長春:吉林農業(yè)大學，20184李建軍，姜永成，孟慶祥，等基于物聯(lián)網(wǎng)木耳栽培控制系統(tǒng)J中國農機化學報，2018，39( 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