基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究.pdf

书江西农业学报 2019，31( 12):105113Acta Agriculturae Jiangxihttp: / /wwwjxnyxbcomDOI:1019386/jcnkijxnyxb20191219基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究严志雁，丁建，陈桂鹏*，梁华收稿日期:20191014基金项目:江西现代农业科研协同创新专项( JXXTCX20180102);江西省科技计划项目( 20144BBF60021);江西省现代农业产业技术体系建设专项资金( JXAS21农机信息化应用)。作者简介:严志雁( 1982)，助理研究员，硕士，研究方向:农业信息技术。* 通信作者:陈桂鹏。(江西省农业科学院农业经济与信息研究所/江西省农业信息化工程技术研究中心，江西南昌 330200)摘 要:为实现食用菌优质高效的工厂化生产，研究了基于物联网的食用菌环境智能控制系统，以提高食用菌工厂化生产效率。设计了 XML格式的环境监测数据，采用无线感知终端采集环境数据并发送到服务器;采用 STCD016型 PLC开发了设备控制柜;依据专家经验，采用定时和定量策略设计了食用菌的环境自动控制模型;开发了监控设备数据接入的 Windows服务，采用 B/S结构研发了 PC 端的管理系统，开发了 Android 系统下的移动控制软件。该系统环境感知信息数据传输平均丢包率为05%，系统既可采用设备控制柜手动控制厂房内设备，也可采用模型控制方式智能控制厂房内设备。关键词:物联网;食用菌;环境监控;智能中图分类号:S646 文献标志码:A 文章编号: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 引言食用菌工厂化生产是模拟生态环境、智能化控制、自动化机械作业于一体的生产方式。协同控制光照强度、空气温度、湿度和 CO2浓度等环境因子，使其适合食用菌生长，对实现食用菌优质高效的工厂化生产，提高食用菌的出菇率和产量，降低子实体畸形率有着良好的作用1。国内外很多学者开展了食用菌环境监控系统的研究，如高百惠2对基于ZigBee技术的食用菌栽培环境监测系统进行了设计;张宇3开展了食用菌生产物联网在线监测系统的设计; 李建军等4利用台达DX2001L1 网络模块构建了基于 DIAView 工业物联网平台的木耳栽培温室远程控制系统; 冯丽锋5利用ZigBee无线传感网将终端节点采集的图像数据实时传输至协调器，采用 S3C2440 处理器构建菇房网关，通过上位机食用菌生长控制系统界面控制菇房环境。国内外很多学者也开展了物联网在畜牧和家禽环境监控系统的研究610，水产养殖水质物联网监控系统研究1113，温室大棚环境物联网监控系统研究1417。目前，食用菌工厂化生产的环境监控系统研究大多数集中在数据采集端，以食用菌生产环境控制模型为核心的、集数据采集与设备控制一体化的解决方案目前鲜有报道。本文拟采用无线感知节点获取食用菌环境参数，基于PLC研发设备控制柜，依据感知的环境参数设计环境设备控制模型，研发 PC 端和手机APP 智能控制软件，实现对食用菌工厂化生产主要环境参数的智能控制。1 需求分析与系统结构11 需求分析食用菌厂房环境具有以下特点:( 1)在特定的生长周期内的环境相对稳定;( 2)在特定的生长周期内，室内无光照或少量光照;( 3)有能通风换气、保温、保湿的设备，环境控制设备较多，包括灯、风机、加湿器、窗帘系统等。针对上述特点，在满足厂房环境监测数据条件下，环境控制系统需满足以下条件:( 1) 需给原有机械设备增加电源控制单元，解决服务器远程智能控制问题;( 2)采用统一模型解决菌房多种设备统一控制的问题;( 3) 由于光线较暗，可取消视频监测。12 系统结构系统功能包括环境数据信息的采集、存储与查询及远程设备控制，总体结构见图 1，主要由环境数据采集系统、设备控制系统和管理系统组成。环境数据采集系统是一个集空气温湿度传感器、光照强度传感器、CO2浓度传感器的多参数无线感知节点，该节点包含 WiFi 通讯模块，采集、汇集数据并将数据传送到服务器。设备控制系统:包括设备控制柜、窗帘系统、换气设备、加湿设备、补光设备等。设备控制柜处于管理系统和传统机械设备之间，将如卷帘、风机、灯等传统设备纳入物联网系统，达到远程智能控制厂区内传统设备的目的。管理系统:包括监控服务器、PC 端管理软件、移动端管理软件。主要功能有:( 1)负责接收远程数据，包括实现数据解包、数据入库、数据可视化;( 2)负责设置环境控制模型，实现环境数据智能决策、发送设备工作指令等。图1 系统总体架构2 系统设计与实现21 环境数据采集系统环境数据采集系统由无线感知终端和无线网关组成，采用的无线感知终端是由江西省农业科学院农业经济与信息研究所研制18，由供电系统、微控制器( STM32F103VE)、WiFi 模块、空气温湿度传感器、光照强度传感器( TSL2561t)、CO2浓度传感器、JTAG 调试接口组成，该感知节点主控板如图2 所示，调试与安装图如图3 所示。该终端读601 江 西 农 业 学 报 31卷取光照、空气温湿度、二氧化碳浓度等传感器数据，然后将这些环境数据封装成 XML 格式的“数据帧”，驱动 WiFi 模块发送“数据帧”到网关。数据采集过程如图4 所示。图2 无线感知终端主控板实物图3 无线感知终端安装感知数据发送:串口 1 通过 WiFi 模块采取TCP /IP 协议发送至已知的服务器端口，数据格式为 XML格式19，具体代码如下:notenum1/numtemperature23/temperaturehumidity823/humidityco2420/co2lightIntensity14280/lightIntensitytime20190213 12:00:04/time/note其中，num 为设备编号，temperature 为空气温度，humidity 为空气湿度，co2 为二氧化碳浓度，lightIntensity为光照强度，time为数据采集时间。图4 监测系统程序流程22 设备控制系统在生产过程中，食用菌厂房内需进行智能控制的设备有窗帘系统、换风机、加湿器、空调和补光灯，本文中设备具体型号是: 窗帘系统为CL201701、换风机型号为FS201741、加湿器型号为JSQ201801、补光灯型号为 HCXSYJ。控制柜开发选用的是 STCD016型 PLC，它集成了16 路开关量输入和16 路继电器输出，具有 1 个 S485 通信接口，支持 MODBUS TU 协议，系统使用 PLC的S485 通信口与模块( 485 转 J45) 的对接，完成控制器与远程的通信。现场控制设备与 PLC 接线图如图5 所示，KM 为交流接触器，SB 为按钮开关，SB与KM的常开主触点相连。其工作原理为:通过KM选择手动控制还是智能控制方式，开关合下，表示手动控制，负载设备通电并工作; SB 不闭合，表示智能控制，当收到远程开启指令时，PLC输出端继电器接通，KM 辅助触点的闭合，负载设70112期 严志雁等:基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究备通电并工作。图5 设备与PLC接线图控制器使用S485 串口( S485 转J45)与服务器端进行通讯，完成控制器与远程的通信。输出端D01 D06 控制窗帘开启、关闭和停止;输出端D07D08 控制补光灯开启、关闭;输出端 D09D010 控制通风机开启、关闭，用于与室外通风;输出端D011 D012 控制地面风扇开启、关闭，用于室内空气流通;输出端 D015 D016 控制加湿器开启、关闭。具体PLC输出端具体功能如表1 所示。表1 PLC输出功能表输出端序号 控制内容 输出端序号 控制内容D01 窗帘1开启 D09 通风机1开启D02 窗帘1关闭 D010 通风机1关闭D03 窗帘1停止 D011 地面风扇开启D04 窗帘2停止 D012 地面风扇关闭D05 窗帘2停止 D013 空调开启(未使用)D06 窗帘2停止 D014 空调关闭(未使用)D07 补光灯开启 D015 加湿器开启D08 补光灯关闭 D016 加湿器关闭23 管理系统231 智能控制模型 通过对多位专家的调研及反馈，本文采用定时策略和定量策略开展对设备的自动控制。定时策略是指在指定时间自动操作设备;定量策略即在感知数据达到设定的数值时自动操作设备。换气操作优先于增湿操作，增湿操作优先于增光或遮光操作，定时策略优先于定量策略，即定时策略执行时不执行定量策略。( 1)空气流通自动控制:食用菌生长对空气条件有强烈的需求(如旺长期对氧气的需求)20，需要通过窗帘、地面风扇、换风机等设备来通风。智能控制通风设备需要精确和量化的环境参数指标，目前没有明确、量化的环境参数研究作为参考，本文依据食用菌专家的种植经验，采用定时策略来进行菌房的通风。每天定时在9:00 和16:00晚上开启窗帘、地面风扇、风机，快速通风30 min。( 2)空气湿度自动控制:为满足食用菌对空气中水分的需求21，需要综合使用加湿器(或水管)、地面风扇、风机来增加空气湿度。本文采用定量策略来对厂房加湿，使厂房内空气湿度维持在75% 95%2223。当湿度低于 75%时，开启加湿器(或水管) 及地面风扇，高于 95%时关闭加湿器(或水管)及地面风扇。( 3)光照自动控制:为使食用菌厂房内有少量的散射光线，需要综合使用窗帘、补光灯将光照强度控制在 500 1000 lx2425。本文采用定时定量结合策略控制光照。当白天时，自动开启或关闭窗帘系统，调整窗帘使透入厂房内的光恰好为1000 lx时。夜晚开启补光灯，关闭窗帘，使光照强度控制在500 lx。空气温湿度和光照的智能控制数据指标如表2 所示。232 管理系统设计 管理系统是整个系统的核心组成部分，包括环境数据采集系统接入的Windows服务、PC 端智能控制系统和移动监控系统，总体架构如图6 所示。( 1)环境数据采集系统接入的 Windows 服务。该服务用于获取和解析终端发来的环境数据和设801 江 西 农 业 学 报 31卷备工作状态数据。该服务在服务器端监听服务器通讯TCP 端口，接受和解析环境数据采集系统以XML格式数据发送来的数据，并存入服务器上MySQL 数据库中。该 Windows 服务开发环境为Visual Studio 2017，开发语言为 C#，采用 Socket 来监听和接口端口数据。表2 智能控制参数参数 优先级 控制策略 参数范围及控制时间 控制机器空气换气 0 定时 时间:9:009:30 窗帘、风机、换风机时间:16:0016:30空气湿度 1 定量 空气湿度:75%95% 加湿器、地面风扇光照 2 定时+定量 时间:6:0017:00;光照5001000 lx 窗帘、补光灯时间:0:006:00、17:0024:00;光照5001000 lx( 2) PC端智能控制系统。系统页面主要使用C#、html、JavaScript 开发，开发工具为 Visual Studio2017，提供给用户对于环境监测信息的查看，设备的增删改查、设备控制模型的设置(图 7) 等功能，功能模块如图8 所示。在主程序中，智能控制模型中定时和定量策略采用定时器来实现，具体的代码如下:SystemTimersTimer timer= new SystemTimersTimer();timerEnabled = true; / /设置是否执行 Elapsed事件timerStart();timerInterval=900; / /设置时间间隔09 秒timerElapsed+ = new ElapsedEventHandler( Op-erateEquipment); / /绑定设备操作事件定时策略中设备操作函数 OperateEquipment()的时间判断如下:if ( DateTime Now Hour = = 7 DateTimeNowMinute = = 00) / /如果当前时间是7 点00 分InitializeEquipment(); / /启动设备if ( DateTime Now Hour = = 7 DateTimeNowMinute = = 30) / /如果当前时间是7 点30 分CloseEquipment(); / /关闭设备定量策略中设备操作函数 OperateEquipment()的参数条件判断如下(以空气湿度为例):if ( ParameterEnum airHu midity75) Initial-izeEquipment(); / /当湿度小于75%启动设备if ( ParameterEnum airHumidity 95 )CloseEquipment(); / /当湿度大于95%关闭设备图6 管理系统应用框架( 3)移动监控软件。本文研发了 Android 系统下的移动监控 APP，提供智能手机环境下查看环境实时监测情况和远程控制智能设备的功能。开发工具为Android studio 20，开发语言为Java，APP软件的模块设置见图9。用户管理模块。用户账号要有具备操作厂房设备权限才能进入系统，进行查看和操作。An-droid 自带的内存仅存储日志数据，系统的用户数据、设备状态信息、设备的设置数据都要存在远程服务器的MySQL数据库中。通信模块。通过封装 Java 的 JDK 文件中自带的TCP 网络传输协议，实现手机和服务器的数据通信。环境监测模块。环境监测模块从服务器数据库中读取该用户关联厂房的传感器设备列表，并为每个传感器建立数据列表，从服务器的MySQL数据库中读取该传感器的感知数据，并在主界面上显示。设备控制模块。APP 中感知数据和设备状态查询操作直接向服务器中对应数据库表查询;90112期 严志雁等:基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究APP 中设备操作命令发送并存储至服务器数据库，由服务器上管理程序从数据库中读取命令，并向设备控制柜发送命令来实现设备控制。APP 在执行设备的开关动作后，设备状态从服务器返回给APP，当APP 接收到这些信息后，在界面上更新设备状态。图7 环境控制方案配置图8 管理系统模块3 结果与分析31 数据监测及实时显示环境监测系统每隔10 s 向服务器上传1 条数据，选取2018 年12 月1218 日、2019 年3 月2329 日、2019 年 4 月 21 25 日共 19 d 的数据为样本，测试系统采集数据的稳定性，测试结果见表3。测试结果表明，环境数据采集系统数据通信丢包率为05%，平均成功率在995%以上，具有良好稳定性。环境数据采集在服 PC 端管理系统的数据展示见图10、图11。图9 APP软件模块表3 系统稳定性测试数据采集时间/(年/月/日) 应采集量/条 实际接收量/条 接收率/% 丢失率/%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 设备控制321 移动端APP 设备控制 系统开发了安卓手机端APP 应用，主要功能包括:( 1)环境监测:实时显示菌房的温度、湿度、光照等信息(图12)。( 2)设备控制:可通过设备控制功能界面(图13)控制窗帘、地面风扇、换风机、补光灯等的工作状态，也可依据231 中的模型进行自动控制。322 手动控制 工作人员在现场开展生产活动需要操控设备时，可通过按压控制柜(图 14) 上的开关，进行设备控制(图15、图16)，如开启或关闭窗帘系统、开启或关闭换风机、开启或关闭加湿器、开启或关闭灯、开启或关闭地面风扇。4 讨论与结论在食用菌物联网应用技术的研究上，针对缺少能够开展环境控制设备的问题，本文设计实现了一套基于物联网的食用菌环境智能控制系统，011 江 西 农 业 学 报 31卷包括环境数据采集系统和设备控制系统。系统底层采用嵌入式单片机与 PLC 相结合的方式，通过WiFi无线模块进行组网，并设计开发了手机 APP和PC端控制台，使系统具备远程监测和控制功能，环境数据采集系统通信成功率为99%以上。图10 软件首页界面图11 服务器端环境监测数据图12 厂房环境监测针对智能控制环境的问题，依据专家经验，本文通过单独或组合使用定时策略和定量策略构建了厂房内设备的自动控制模型。目前仍然只能依靠专家的经验值确定光、温、水、气等环境控制参数的精确数值，这是在没有大量试验数据证明的最优环境数值控制模型的替代方案，是一种系统的冷启动问题。在后期研究中，应研究定量的光、温、水、气条件下特定食用菌品种最优生产环境条件，完善自动控制模型的参数值。该系统在江西省农业科学院农业微生物应用研究所进行测试，整个系统运行稳定、可控设备多，节约人力和用电。作为现代化食用菌种植的11112期 严志雁等:基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究示范，该系统可为种植户的生产经营提供数据支撑，在工厂化菌种培养、商品生产、食用菌研究等领域的进一步推广和应用中，为建设全产业链大数据平台提供数据支撑和服务。图13 远程设备控制图14 设备控制柜图15 窗帘控制、加湿器与空调图16 感知终端、补光灯与风扇基于物联网的食用菌环境智能监控系统可实时采集食用菌生产的主要环境参数，智能控制相关调控设备，可用于食用菌工厂化生产。参考文献:1韦会平，赵牧，周建平，等干热河谷地区猴头出菇环境控制技术研究J南方农业学报，2013，44( 1): 1351392高百惠基于 ZigBee 技术的食用菌栽培环境监控系统的研究D哈尔滨:东北农业大学，20143张宇食用菌生产物联网在线监控系统的构建与应用D长春:吉林农业大学，20184李建军，姜永成，孟庆祥，等基于物联网木耳栽培控制系统J中国农机化学报，2018，39( 8):92965冯丽锋基于物联网技术的现代化食用菌生长控制系统研究D郑州:华北水利水电大学，20186张伟，何勇，刘飞，等基于物联网的规模化畜禽养殖环境监控系统J农机化研究，2015，37( 2):2452487朱伟兴，戴陈云，黄鹏基于物联网的保育猪舍环境监控系统J农业工程学报，2012，28( 11):1771828刘烨虹，刘修林，侯若羿，等基于 WSN 的蛋鸡活动量监测系统设计J南方农业学报，2018，49( 7): 145314599Juan I H，Carlos M，Hctor Y，et al ZigBeebased wire-less sensor network localization for cattle monitoring ingrazing fieldsJ Computers and Electronics in Agricul-ture，2010，74( 2): 25826410Srbinovska M，Gavrovski C，Dimcev V，et al Environ-mental parameters monitoring in precision agricultureusing wireless sensor networksJ Journal of CleanerProduction，2015( 88): 29730711何世钧，陈中华，张雨，等基于物联网的海洋环境监测系统的研究J传感器与微系统，2011，30( 3): 131512颜波，石平基于物联网的水产养殖智能化监控系统211 江 西 农 业 学 报 31卷J农业机械学报，2014，45( 1):25926513李慧，刘星桥，李景，等基于物联网 Android 平台的水产养殖远程监控系统J农业工程学报，2013，29( 13):17518114廖建尚基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法J农业工程学报，2016，32( 11):23324315秦琳琳，陆林箭，石春，等基于物联网的温室智能监控系统设计J农业机械学报，2015，46( 3): 26126716刘洋，张钢，韩璐基于物联网与云计算服务的农业温室智能化平台研究与应用J计算机应用研究，2013，30( 11):3331333517黎贞发，王铁，宫志宏，等基于物联网的日光温室低温灾害监测预警技术及应用J农业工程学报，2013，29( 4):22923618陈桂鹏，严志雁，瞿华香，等基于 Android 手机的农业环境信息采集系统设计与实现J广东农业科学，2014，41( 13):178181，21919W3C Extensible Markup Language( XML) 10 Specifi-cationEB/OL ( 2008 11 26) 2019 06 10http: / /wwww3org/T/ECxml20沈敏食用菌工厂菇房内环境的模拟验证与优化研究D镇江:江苏大学，201621王瑞娟杏鲍菇工厂化栽培相关参数和生理特性研究D重庆:西南大学，200722万丽娜工厂化食用菌栽培出菇环境湿度稳定性研究D北京:中国农业机械化科学研究院，201023鲁永新，田侯明，杨海抒，等云南省野生食用菌气候生境特征与评价J中国生态农业学报，2015，23( 6):74875724王媛媛，朱涵予，刘冬梅，等光照对高等真菌生长发育影响的研究进展J食品工业科技，2017，38( 21):32432925Jang M J，Lee Y H The suitable mixed LED and lightintensity for cultivation of oyster mushroomJ Journalof Mushrooms，2014，2( 4): 258262(责任编辑:曾小军)31112期 严志雁等:基于物联网的食用菌环境智能控制系统研究