基于物联网的灵芝大棚智能测控系统

景瑞昊

山东理工大学 计算机科学与技术学院 山东 淄博 255000

引言

灵芝是著名的食药用真菌，是我国一味传统的名贵中药，在民间就有“仙草”一称。我国灵芝人工栽培己有60余年的历史，随着人民生活水平的不断提高，以灵芝、孢子粉为原料的药品及保健品的需求量不断提高，近二十多年来灵芝越来越受到人们的重视，但野生灵芝资源有限，因此人工栽培规模也变得越来越大[1]。然而在栽培规模扩大的同时，出现了生产效率低下、自动化率低、感染率高等问题，严重地阻碍了我国灵芝产业的快速发展。

1 产品分析

1.1 产品介绍

基于物联网技术、嵌入式技术和传感器技术设计了一套低成本且具有较高现实使用价值的灵芝大棚智能测控系统。主控器通过DHT11温湿度传感器，感知灵芝大棚内的温湿度情况，在本地OLED显示屏幕以及用户手机端App中；通过火焰传感器模块来检测是否发生火灾。整个系统分为手动模式和自动模式。在自动模式下，可以根据温度和湿度的变化情况，自动调节是否需要打开水泵，调控大棚内的喷洒系统，进而调节大棚内的温度、湿度，同时能将数据同步上传到One NET物联网云服务器，在手机上进行监测、控制；在手动模式下，可自行管理水泵及窗帘的开关[2]。用户能够通过手机直观监控数据，远距离调控，及时做出处理。

本系统由传感器感知模块、ESP8266无线传输模块、继电器控制电路、基于One NET物联网的信息共享平台、STM32芯片开发板部分组成，设计了以STM32单片机为控制核心的灵芝大棚环境监控系统，为规模化灵芝生产提供了现场实时快速检测的智能质量监控的手段。

1.2 特色与创新

本设计主要创新的地方可归于以下几点：

1.2.1 在数据传输上。为了便于用户的使用，使用ESP8266模块，通过连接Wi-Fi的方式进行联网，通过使用MQTT协议将数据打包上传至云服务器，MQTT协议有多个语言版本，比如PHP、JAVA、Python、C等，面向较广，基本可以在任何平台使用，完成多个设备之间的数据传递，有开销小、效率高、操作简单等优势。

1.2.2 在算法设计上。传感器采集到灵芝的环境因子（温度、湿度）的数据，但由于灵芝大棚内是一个复杂的系统，环境位置不同以及灵芝的呼吸作用等因素，导致灵芝大棚内环境因子存在时变性、非线性以及多因子耦合性等特点，综上设计了温湿度控制器，通过控制温湿度在连续时间内的变化值，调整水泵喷洒的开启或关闭，进而控制环境的温度和湿度，使灵芝得到高效生产。

1.2.3 在软件设计上。One NET云平台不仅计算功能强大，而且最关键的优势在于可以在云端进行软件的监控界面的创建，可以通过设置按键或实时统计图来监测控制灵芝大棚内的环境因子，这就极大程度的方便了整个系统的实用性。当终端设备与One NET云平台建立连接后，下位机根据MQTT协议将数据打包上传到云平台，产生数据流，进而控制相应的组件，以完成需求[3]。

1.3 系统工作流程

首先打开电源按键，系统开始进入初始化，初始化完毕后准备连接Wi-Fi，当LED0闪烁一下后，表示联网成功，自动进入手动模式。

在手动模式下，通过KEY1按键，可以控制继电器松开或吸合状态，从而控制水泵的打开或关闭。通过WK_UP按键可实现窗帘的打开或关闭，由于窗帘的打开或关闭需要数秒，因此在执行窗帘的打开或关闭状态时，需要耐心等待窗帘的完全打开或关闭后再执行其他命令。

按下KEY0键可切换为自动模式。不管当前的水泵是何状态，当切换为自动模式的瞬间，水泵会关闭，开始进入温度、湿度自控算法，若温度高于阈值或湿度低于阈值，都会打开水泵，进行降温或提高空气湿度，以达到灵芝适宜生长的环境状态。在自动模式下，开启或关闭水泵会使系统自动进入手动模式，窗帘按键不会导致此操作。

当设备接入网络后，可通过手机App对设备进行远程操作控制，可以查看实时大棚环境因子信息，以及对设备模式、窗帘和水泵的状态选择。

系统工作流程如图1所示。

图1 系统流程图

2 系统硬件设计

2.1 主控制器

系统采用STM32F103RCT6作为主控制器。STM32F103RCT6芯片是一款高性能、低价格、低功耗的芯片，其内部集成了ADC、时钟、定时器等丰富的资源。该芯片有强大的时钟系统和高性能处理器，最高时钟频率能达到72MHz，可以高效地处理任务。

2.2 温湿度采集电路设计

出芝时棚内温度保持28～30℃，不超过35℃，空气相对湿度不低于85%，合适的温湿度对于灵芝在生长期尤为关键，是灵芝子实体变大、变优的最为关键因素。所以对室内温湿度进行监控极为重要。本次设计中选用DHT11温湿度传感器对其进行监控采集，根据手册查询得知，该传感器的采集温度在-20～ 60℃，测量湿度为5%到95%RH，完全符合监测所需。

2.3 火焰传感器模块

灵芝大棚的投资成本相对于农民来讲较大，一个灵芝大棚的成本在3～5万元不等，一枚火星也能使数年的劳作化为乌有，因此，火灾防护非常必要。在本次设计中，采用火焰传感器模块YL-38。

2.4 无线通信模块设计[4]

对比无线通信方案，方案一：选用Zig Bee芯片，使用Zig Bee无线技术组成一个设备网络，通过外设网关与手机进行通信。方案二：使用ESP8266系列无线Wi-Fi芯片，通过Wi-Fi直接进入互联网，与服务器进行通讯。方案三：选用NB-IoT模组，购买物联卡连接网络。

无线通信模块是除主控芯片外最重要的部分，决定了系统性能。Zig Bee可接入节点高达6万多，但Zig Bee穿墙能力较弱、传输速率慢，且在使用时需配备Zig Bee网关支持才可与智能手机进行通信。NB-IoT指的是窄带物联网技术，它工作在授权频段，核心是面向低端物联网终端（低耗流），网络速度较低，因此对命令下发或数据上传限制较大。Wi-Fi在传输速率上具有较大优势，且穿墙性能较强、覆盖范围广，开发使用方便，能够直接接入互联网，其主要缺点是功耗大，网络容量小。结合系统实际应用对比，方案二传输速率快、覆盖范围广、穿墙性能好、使用方便，成本低廉。综合考虑多种实际因素后，Wi-Fi模块采用安信可科技开发的ESP8266-01S。

3 系统软件设计

系统服务器采用的是中国移动物联网提供的云服务器，下位机通过传感器采集数据。主控制器将采集的数据通过Wi-Fi上传到One NET云平台，One NET云平台提供了软件监控界面的创建功能，极大程度上方便了整个系统的便捷性。当下位机与One NET云平台建立连接后，根据MQTT协议将数据打包上传到云端，产生数据流，进而控制相应的组件，同时用户可以利用云平台的命令下发功能对下位机进行远程操作。

4 系统测试

4.1 硬件测试

打开电源按键，系统开始进入初始化，初始化完毕后准备连接Wi-Fi，当LED0闪烁一下后，表示联网成功，进入手动模式，如图2的OLED屏幕所示。

图2 OLED显示屏幕

在手动模式下，通过KEY1按键，可以控制继电器松开或吸合状态，从而控制水泵的打开或关闭。通过WK_UP按键可实现窗帘的打开或关闭，由于窗帘的打开或关闭需要数秒，因此在执行窗帘的打开或关闭状态，导致程序无法运行其他指令。

按下KEY0键可切换为自动模式。不管当前的水泵是何状态，当切换为自动模式的瞬间，水泵会关闭，开始运行温度、湿度自控算法，若温度高于阈值或湿度低于阈值，都会打开水泵，进行降温或提高空气湿度，以达到灵芝适宜生长的环境状态。

通过按键中断指令，控制各模块的运行，经测试表明，反应灵敏度高、错误率低，适合灵芝大棚内运行。

4.2 软件测试

软件测试环节用到的测试软件是基于One NET物联网云服务器的设备云App，设备云App功能与One NET网站版相通。通过登录账号，设备云上即可显示自己创建的设备信息。

点击应用，进入设备后，硬件主控器通过ESP8266连接Wi-Fi进入互联网，并通过MQTT协议，将各种数据信息传输到One NET云服务器，并能在手机上观察信息[5]。

主页面有3个按钮，分别为模式选择、水泵、窗帘。通过逐个测试，均能低时延的体现到硬件设备，硬件设备能及时收到信息并处理。点击水泵“ON”发送成功，“ON”与“OFF”均闪亮，这是由于One NET云服务器的刷新频率最低为3s，因此需等待3s后，“OFF”光亮消失。

5 结束语

“农业+物联网”是发展现代化农业信息技术的重要环节。经实地调查研究，设计基于物联网的灵芝大棚智能测控系统，传感器能够实时采集灵芝大棚内周围环境因子（温度、湿度），为有效提高灵芝产量提供了必要保障。通过系统测试表明，该系统的性能稳定、便捷智能、体积小，适应棚内狭小空间，有效节省了人力物力。系统可实现数据实时显示、火灾报警、远程智能控制等功能。有精度高、误报率低、成本小等优点，能够满足灵芝环境测控工作，具有一定的应用价值。