摘 要 ：食用菌大棚需要為食用菌提供合適的生長環境，針對當前傳統大棚生產模式存在的問題，我們設計了一種基于物聯網的食用菌大棚測控系統，以提高產量，減少人力物力的消耗。該系統借助ZigBee網絡實現。在單個大棚內的多個位置放置環境檢測終端節點，多個設備控制終端節點以及1個網關設備 ；網關設備通過ZigBee網絡實時收集來自檢測終端節點的環境參數數據，并通過MQTT協議將采集的數據實時上傳至云服務器，之后將來自服務器的控制信息下發至設備控制終端節點。系統根據設定的最適生長環境參數對大棚環境進行智能化決策和調控，并為用戶提供設計APP與網頁，以及異常信息推送和設備控制服務，實現大棚的可視化自動管理。

0 引 言

食用菌產業是一項集經濟效益、生態效益和社會效益于一體的農村經濟發展項目，發展食用菌產業符合人們消費增長和農業可持續發展的需要，是農民快速致富的有效途徑。我國雖然已逐漸成為食用菌生產的重要產地之一，但與國外食用菌的品質和產量相比還存在一定的差距，主要原因是食用菌生長過程中對不同環境因子的要求非常茍刻。所以，研究調控食用菌大棚環境因子影響其生長的理論和方法，是提升食用菌品質和產量的重點研究方向。

針對食用菌發展情況，本文利用物聯網技術與數據分析技術，設計了一套智慧食用菌大棚測控系統，以實現食用菌生長環境的自動控制和設備管理 [1-10]，提高食用菌大棚化種植產量，減少人力物力的消耗，增產增效。

1 系統需求分析與結構設計1.1 系統需求分析

食用菌大棚的環境具備以下特征 ：

（1）在特定的生長階段，環境參數相對穩定 ；

（2）在特定的生長時間內，室內無光照或少量光照 ；

（3）具有能夠通風換氣、保溫、保濕的設備，環境控制設備較多(燈、風機、加濕器、窗簾、遮陽系統等）。

針對上述特點,要實現食用菌大棚測控系統需要滿足以下條件 ：

（1）用有能夠測量大棚光照強度、溫度、濕度、CO2等環境參數的監測模塊 ；擁有能夠控制燈、風機、加濕器、窗簾、遮陽系統等設備的控制模塊。

（2）能夠將環境數據發送至網絡服務器，對數據進行保存處理，并根據數據特征，對大棚設備做出相應的控制，以實現食用菌大棚環境的自動調節，保持最適宜食用菌生長的環境。

（3）能夠對來自大棚的環境參數進行分析，根據不同類型食用菌的生長習性以及環境特點進行模糊化數據處理，實現環境穩定控制。

1.2 系統結構設計

圖1為系統總體設計框圖。為降低布線成本，提高系統可靠性，采用ZigBee無線通信技術和星狀網絡拓撲結構進行系統設計。由圖1可知，本系統的功能主要分為五部分：

（1）環境參數信息的采集、上傳模塊；

（2）大棚設備控制系統；

（3）負責環境參數信息采集系統、設備控制系統與服務器進行信息交互的信息網關模塊;

（4）環境參數信息的云服務器；

（5）大棚數據的移動端與PC端可視化展示與遠程控制設備。

環境信息采集系統:該系統可實現空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、菌袋溫濕度等參數的采集，以及信息無線傳輸。

網關模塊:該模塊負責通過ZigBee網絡匯集環境信息采集系統發送的環境參數信息，將信息打包發送至服務器，并接收來自服務器的設備控制信息。

設備控制系統:由網關模塊將來自服務器的控制信息轉發至設備控制系統，并對設備(遮陽系統、噴灑系統、卷簾設備等)做出相應的控制動作。 軟件管理系統:可視化系統包括兩部分，即PC管理系統與移動端APP，主要實現數據的可視化查看與設備遠程控制，并根據環境與氣候特點推送相應的管理指導信息。 數據處理決策模型:該系統可將上傳至服務器的數據儲存至數據庫，通過構建決策模型，根據實時數據判斷當前環境是否適宜食用菌生長，并對設備進行實時調控。 2 系統設計與實現2.1 硬件系統設計本系統硬件主要由多個無線終端節點和網關節點組成,終端節點與網關模塊均采用 CC2530芯片作為核心處理器，利用基于Ti公司開發的Z-Stack協議棧實現星形ZigBee網絡拓撲進行無線通信。 Z-Stack工作時，系統初始化并啟動OSAL，進入任務輪循等過程。Z-Stack系統運行流程如圖2所示。

首先利用終端節點采集影響食用菌生長的環境參數因子，并將數據通過ZigBee網絡傳送至網關模塊，網關模塊利用MQTT協議將數據實時發送至服務器，服務器端對信息進行處理、儲存、分析，并將分析后的數據傳送至數據庫進行匹配，給出合適的控制方案。之后將控制指令信息回傳至網關模塊，進而控制設備的控制系統。2.1.1 環境信息采集系統環境信息采集系統由基于ZigBee網絡的無線感知傳感器節點組成，該節點由3.7 V鋰電池供電，采用CC2530作為核心控制器,外接空氣溫濕度傳感器(SHT30,工作溫度范圍為-40 ～125℃，濕度范圍為0%RH～100%RH，高精度防水防塵，I2C通信總線連接）、光照強度傳感器（BH1750FVI，光照范圍0～65 535 Lux，I2C通信總線連接）、紅外二氧化碳傳感器（JXM-CO2，二氧化碳濃度范圍為0～50 000ppm，UART通信總線連接）等測量模塊。系統實時監測數據，并將數據轉發。2.1.2 設備控制系統設備控制系統包含多個無線控制終端節點，該節點由微處理器外接繼電器進行設備控制。在食用菌的大棚化生產過程中，通過ZigBee無線控制終端節點將環境調控設備（灑水設備、遮陽設備、溫控設備、補光設備、換氣設備、卷簾設備等）納入物聯網系統，實現無線自動化智能調控。2.1.3 網關模塊網關模塊匯集并上傳環境信息采集系統采集的數據，接收并轉發來自服務器的設備控制指令。網關模塊由CC2530和ME3616模塊組成。 ME3616是一款支持NB-IoT通信標準的窄帶蜂窩物聯網通信模組，該模組具有低速率、低功耗、遠距離等優點，支持多種網絡協議(CoAP、TCP/UDP、MQTT)和多種低功耗模式(PSM、eDRX)。在NB-IoT制式下，該模塊可以提供最大66 Kb/s上行速率和34 Kb/s下行速率。 網關模塊上電初始化后，創建兩條進程，一條進程負責收取環境采集系統的環境信息，然后將數據打包為JSON格式，通過串口連接ME3613模塊，利用AT指令將數據發送至服務器，如圖3所示 ；另一條進程負責接收來自服務器的控制指令，當服務器下發控制指令后，ME3616模塊通過串口將數據發送至CC2530，CC2530轉發給設備控制系統，對設備做出相應的控制，流程如圖4所示。

2.2 軟件設計方案

服務器端對來自環境的數據進行保存，根據實時數據，通過決策模型，計算出設備控制最佳方案，并設計網頁端與移動端APP可視化軟件控制系統。

2.2.1 數據儲存決策模型

根據食用菌在不同生長階段的特性，從數據庫匹配出食用菌生長所需的最佳環境參數。設計食用菌生長階段所允許的環境參數上、下限，利用大棚實時上傳的環境數據，實現智能的環境監控以及設備控制，快速糾正偏離的環境參數，模型流程如圖5所示。

2.2.2 軟件管理系統設計食用菌大棚測控軟件系統分為PC端與Android APP端，軟件系統設計包括身份驗證、實時數據、數據統計、設備控制、信息推送等模塊，如圖6所示。

身份驗證模塊用于驗證用戶身份，確保訪問個人數據與信息訪問的合法性。

實時數據模塊顯示食用菌大棚內多節點傳感器采集的大棚數據。

數據統計模塊將采集的環境參數(溫度、濕度、CO2 濃度、光照強度)以可視化曲線的方式顯示，便于用戶觀察食用菌大棚內的環境，并在分析后做出相應的改進，提高生產食用菌效率。

設備控制模塊顯示食用菌大棚內環境調控設備的當前狀態，可選擇設備的控制模式（智能控制或手動控制）。采取智能模式控制時，系統根據數據模糊處理模型給出的控制方案進行動態調控，實現自動化控制。手動模式下，可根據用戶實際需求使用軟件發出相應的控制指令，設備控制系統獲取指令后對大棚調控設備做出相應的控制操作。

信息推送需依據大棚的環境數據信息。我們根據對食用菌大棚最適栽培條件與生長適宜范圍的分析，利用大棚環境參數信息與當天天氣和季節條件，對大棚設置不同的種植指導推送，便于用戶了解大棚狀況，根據自主需求對大棚進行調控，實現食用菌最佳生長環境的智能控制。

3 系統測試與結果分析

在實驗室模擬食用菌大棚系統，每個食用菌大棚分別安裝、準備5～6個傳感器節點，1 個網關節點，1臺PC電腦與可安裝APP的手機。

系統測試硬件各節點與網關設備組網成功后，環境采集模塊可將空氣濕溫度、菌袋溫濕度、大棚內光照強度和二氧化碳濃度等數據采集并發送至網關節點，網關節點也可連接網絡，上傳數據并下發指令。網絡管理平臺與手機APP端對數據進行實時展示，通過點擊控制，可快速下發指令，控制設備準確、實時做出相應動作。實驗表明，該系統功耗低，穩定性良好，可以滿足食用菌生長監控的需求。

4 結 語

該食用菌大棚測控系統針對食用菌生產的實際需求，以ZigBee網絡為基礎，進行物聯網開發，實現數據監測與設備控制，并將數據進行可視化處理，實現最適宜環境的調節控制，以滿足食用菌種植智能化、現代化的需求，提高農業大棚的管理水平和生產效率。該系統可擴展性強，也適用于其他農業大棚，具有較強的參考價值。

審核編輯 ：李倩