李穎 吳琦 王宏坡 趙新海

摘 要：本文基于Qt平臺開發(fā)了食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取食用菌設(shè)施栽培菇房內(nèi)的溫度、CO2、濕度和光照度等參數(shù)，利用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，控制現(xiàn)場繼電器設(shè)備，進(jìn)而控制菇房內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備，為食用菌的生長創(chuàng)造適宜的生長環(huán)境，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行性能穩(wěn)定，操作方便，具有一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：Qt;環(huán)境數(shù)據(jù);設(shè)施栽培

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.115

食用菌是一類有機(jī)、營養(yǎng)、保健的綠色食品，食用菌產(chǎn)業(yè)已成為中國種植業(yè)中的一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，作為我國大力倡導(dǎo)的“三色”農(nóng)業(yè)中的白色農(nóng)業(yè)，食用菌種植規(guī)?？涨皵U(kuò)大，前景廣闊，發(fā)展空間巨大[1]。食用菌生產(chǎn)的智能化與自動(dòng)化對于提高單位面積的食用菌產(chǎn)量與質(zhì)量，提高食用菌生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益，提升我國生產(chǎn)的食用菌的競爭力是非常重要的[2]。本文基于Qt平臺設(shè)計(jì)了食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，對影響食用菌生長的溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子進(jìn)行采集與控制，實(shí)現(xiàn)食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與最佳生長環(huán)境條件的智能控制。

1 開發(fā)環(huán)境與系統(tǒng)架構(gòu)

圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）），又稱圖形用戶接口，是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面[3]。目前，人機(jī)GUI界面大多都是應(yīng)用微軟基礎(chǔ)類庫（Microsoft Foundation Classes，MFC）進(jìn)行制作，但大量的Windows API和消息機(jī)制使得其較難理解，而且模板設(shè)定了固定的結(jié)構(gòu)，不方便進(jìn)行編程和維護(hù)[4]。Qt是一個(gè)1991年由Qt Company開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，Qt最大的不同就在語法結(jié)構(gòu)簡單清晰，面向?qū)ο蟮奶匦泽w現(xiàn)的比MFC明顯[5]。Qt模塊之間相互獨(dú)立，并為用戶提供了良好的封裝庫，特別是使用信號/槽機(jī)制來取代回調(diào)函數(shù)，使用起來非常方便[6]。因此，本系統(tǒng)基于Qt技術(shù)開發(fā)，系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖1所示。

食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要有以下7個(gè)功能模塊：

（1）系統(tǒng)登錄界面：使用系統(tǒng)之前需對用戶的合法性進(jìn)行驗(yàn)證，以此保障系統(tǒng)的安全性。

（2）環(huán)境采集間隔時(shí)間設(shè)定：系統(tǒng)的使用者可以通過此功能模塊設(shè)置采集環(huán)境數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，以此控制采集環(huán)境數(shù)據(jù)的頻率。

（3）食用菌設(shè)施栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集：此模塊將按照系統(tǒng)的采集間隔時(shí)間定期采集食用菌設(shè)施栽培環(huán)境數(shù)據(jù)，并顯示在系統(tǒng)的界面上。

（4）食用菌設(shè)施栽培條件設(shè)置：此模塊可以設(shè)置食用菌設(shè)施栽培條件，包括最低溫度、最高溫度、最低濕度、最高濕度、開燈時(shí)長等信息。

（5）食用菌設(shè)施栽培設(shè)備控制：系統(tǒng)運(yùn)行模式為手動(dòng)的情況下，系統(tǒng)使用者可以通過此模塊手動(dòng)控制食用菌菇房內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備。

（6）系統(tǒng)運(yùn)行模式設(shè)置：系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種運(yùn)行模式，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行模式為自動(dòng)的時(shí)候，每次采集完環(huán)境數(shù)據(jù)后都會(huì)與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)比對，不符合要求的情況下會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的設(shè)備自動(dòng)調(diào)控食用菌菇房內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。

（7）IP地址設(shè)置：此模塊主要用來設(shè)定系統(tǒng)通信設(shè)備的IP地址，它是一個(gè)IPV4的地址。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于Qt的食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)是在友善之臂6410開發(fā)板的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開發(fā)。該開發(fā)板支持Modbus協(xié)議查詢，Socket網(wǎng)絡(luò)傳輸以及底層繼電器的開關(guān)控制，與上海搜博公司生產(chǎn)的傳感器配套使用。采用232轉(zhuǎn)485轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)與支持Modbus協(xié)議傳感器的串口通信，網(wǎng)線直接連接到交換機(jī)。

除了以上這部分之外，模塊還要與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行連接，系統(tǒng)采用的是I/O驅(qū)動(dòng)的方式，通過6個(gè)I/O引腳控制升溫、風(fēng)機(jī)、降溫、加濕器、循環(huán)風(fēng)和LED燈。6個(gè)I/O口的分布圖如圖2所示。其中，采用的I/O引腳是CMOS攝像頭連接的接口，只用到了11～16共6個(gè)引腳，具體對應(yīng)的設(shè)備如下：11→循環(huán)風(fēng)控制，12→降溫控制，13→LED燈控制，14→加濕器控制，15→風(fēng)機(jī)控制，16→升溫控制。開啟設(shè)備時(shí)，對應(yīng)引腳為高電平（電壓為3.3V），關(guān)斷設(shè)備時(shí)，對應(yīng)的引腳為低電平（電壓為0V）。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于Qt 的串口通信程序設(shè)計(jì)

ARM11內(nèi)核的S3C6410嵌入式電路板的“/dev”路徑下存有各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)，其中ttySAC0用于輸出開發(fā)板的啟動(dòng)配置信息，系統(tǒng)中的串口對應(yīng)ttySAC3設(shè)備號。

完成串口對象及函數(shù)聲明，定義私有槽函數(shù)并完成信號與槽的連接。初始化串口設(shè)置（波特率、數(shù)據(jù)位等），采用Polling（輪詢方式）讀取串口，輪詢機(jī)制的讀寫函數(shù)是同步執(zhí)行的，可以通過創(chuàng)建定時(shí)器，實(shí)時(shí)讀取串口的事件內(nèi)容。

3.2 GPIO字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

GPIO驅(qū)動(dòng)程序中，dev_operations_fops結(jié)構(gòu)是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)的核心，應(yīng)用程序操作設(shè)備將調(diào)用該結(jié)構(gòu)中的對應(yīng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對底層硬件設(shè)備（風(fēng)機(jī)、加濕器、LED燈、空調(diào)等執(zhí)行設(shè)備）的操作。

3.3 系統(tǒng)主界面

圖3是系統(tǒng)主界面，通過此界面可以設(shè)置環(huán)境數(shù)據(jù)采集間隔時(shí)間、食用菌栽培條件、系統(tǒng)運(yùn)行模式、通信設(shè)備IP地址，顯示食用菌設(shè)施栽培菇房內(nèi)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)（溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度），手動(dòng)控制菇房內(nèi)的執(zhí)行設(shè)備（風(fēng)機(jī)、加濕器、LED燈、空調(diào)等）。

4 結(jié)論

經(jīng)過測試，食用菌栽培環(huán)境數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對食用菌設(shè)施栽培菇房內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度的采集與控制，且方便維護(hù)，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，例如栽培條件需要每天修改，可以利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將食用菌栽培過程中每天的栽培條件存儲在數(shù)據(jù)庫中，另外采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)也可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，便于對食用菌菇房內(nèi)的環(huán)境運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行分析并相應(yīng)地做出改進(jìn)。

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