章 超 孫育紅 張 軍

（浦東新區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海浦東201210）

目前，栽培草菇環(huán)境條件無法精準(zhǔn)調(diào)控，已成為草菇穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的一大瓶頸。筆者曾經(jīng)開發(fā)了基于PLC（可編程邏輯控制器）的草菇環(huán)境控制系統(tǒng)，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，固定有線傳感器傳輸方式在架設(shè)傳感器設(shè)備時(shí)較為繁瑣，且巴氏滅菌工藝會(huì)對固定傳感器造成較大的損害，因此，靈活性更強(qiáng)的無線傳感器則是更好地選擇。因受開發(fā)周期與成本限制，筆者采用開發(fā)周期更短、集成度更高的Arduino為主控板進(jìn)行無線傳感器研發(fā)。

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊(duì)列遙測傳輸）是IBM開發(fā)的一個(gè)即時(shí)通訊協(xié)議。MQTT 協(xié)議是為大量計(jì)算能力有限，且工作在低帶寬、不可靠的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳感器和控制設(shè)備通訊而設(shè)計(jì)的協(xié)議。筆者利用該技術(shù)結(jié)合Arduino 主控板與Wi-Fi硬件，開發(fā)草菇環(huán)境控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制菇房環(huán)境，為草菇生長提供最適宜條件?，F(xiàn)將該無線傳感器控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用介紹如下。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

草菇生長對環(huán)境要求較為苛刻且變化較快。筆者根據(jù)草菇發(fā)菌和出菇階段對環(huán)境要求不同進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

該系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)由傳感器主控板、路由器組成，溫濕度傳感器、料溫傳感器、二氧化碳傳感器與傳感器主控板相連。將傳感器合理安裝在菇房內(nèi)，采集環(huán)境信息，并將信息以無線方式通過MQTT 協(xié)議上傳至遠(yuǎn)程控制平臺(tái)。遠(yuǎn)程平臺(tái)匯總數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)栽培邏輯將外圍設(shè)備控制信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至外圍控制器主控板，然后控制風(fēng)機(jī)、加濕器、加熱器的運(yùn)轉(zhuǎn)，以保持菇房適宜環(huán)境。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感器端由3個(gè)模塊組成：電源供電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器及變送器）、主控板模塊（包含數(shù)據(jù)處理、無線傳輸功能）。主控板為傳感器端的核心部件，通過運(yùn)行編入的Arduino 程序進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和傳輸。如圖2所示。

2.1 電池模塊

考慮到草菇栽培周期短、巴氏滅菌對菇房內(nèi)設(shè)備的腐蝕影響等因素，采用充電電池為供電模塊，這樣既省去床架排布電線工序，靈活擺放傳感器，草菇生產(chǎn)結(jié)束出料后，即可取下傳感器充電。4 節(jié)18650充電電池，足夠草菇一個(gè)生產(chǎn)周期所需。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

2.2.1 溫濕度傳感器

采用SHT31 型傳感器，1 個(gè)芯片上集成了校準(zhǔn)的溫度和相對濕度傳感器，相比其他型號，相對濕度測量范圍可達(dá)0%～100%，可完全浸沒；溫度測量范圍達(dá)0～90 ℃；相對濕度測量精度為±2.0%，溫度測量精度為±0.2 ℃，功耗為80 μW。

2.2.2 料溫傳感器

采用德州電子DS18B20 型傳感器，測量溫度范圍寬，測量精度高。DS18B20 的溫度測量范圍為-55～125 ℃；在-10～85 ℃的精度為±0.5 ℃，實(shí)際測試中同批次誤差可在±0.1 ℃以下。在搭配開發(fā)板使用中除一個(gè)4.7 K上拉電阻外不需要任何外圍元件，開發(fā)成本低。

圖1 系統(tǒng)總體框架

圖2 無線傳感器組成示意圖

2.2.3 二氧化碳傳感器

采用芬蘭VAISALA 公司GMP252 型，基于非分散紅外氣體分析（NDIR）原理，測量范圍0～10 000 mg/L，誤差為±1.5%。

2.3 主控板模塊

因采用電池供電，且開發(fā)周期較短，所以選用了功耗較低、庫資源較多、高集成度的Arduino 主控板，型號為ESP8266。它集成了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，32 位低功耗 MCU，10-bit 精度 ADC，并帶有 HSPI、UART、PWM、I2C 和 I2S 等豐富的硬件接口。同時(shí)，ESP8266可以在低功耗連接模式下工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用相對簡易的Nodred 工具搭建界面，數(shù)據(jù)庫采用 Mini SQL。Nodred 是基于 Nodjs 的開源 web 開發(fā)框架（open source web framework），是一種基于流的編程工具，并且可運(yùn)行在電腦、服務(wù)器、NAS、樹莓派等多種支持Nodjs 的環(huán)境中，是目前主流的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)模式。

3.2 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)菇房內(nèi)溫度、濕度、料溫、二氧化碳濃度的信息采集和傳輸。啟動(dòng)自檢后開始掃描附近可用的工作Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)；發(fā)現(xiàn)并連接上Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)后，將獲取到的環(huán)境數(shù)據(jù)遵循MQTT 協(xié)議發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)；發(fā)布成功后斷開Wi-Fi鏈接，切換至低功耗模式，2 min后重新開始循環(huán)。

3.3 設(shè)備主控板軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備控制主控板連接Wi-Fi信號后負(fù)責(zé)接收遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)出的控制信號。輸出電壓信號控制繼電器-接觸器-風(fēng)機(jī)（內(nèi)循環(huán)）設(shè)備。

4 系統(tǒng)測試及結(jié)果

系統(tǒng)創(chuàng)建后，按要求對系統(tǒng)進(jìn)行試運(yùn)行及調(diào)試，主要測試傳感器信號連接穩(wěn)定性、續(xù)航能力、防水防高溫能力，節(jié)點(diǎn)通信距離和性能指標(biāo)是否能滿足預(yù)設(shè)的規(guī)定及要求。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定性、有效性，進(jìn)行了4 次測試。菇房栽培面積66 m2，6 層床架，菇房內(nèi)布置2 個(gè)空間溫濕度采集點(diǎn)，6 個(gè)料溫采集點(diǎn)，1個(gè)二氧化碳濃度采集點(diǎn)。

測試結(jié)果表明，空間溫度及相對濕度的采集均工作正常，但10 s 一次的數(shù)據(jù)采集間隔對服務(wù)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制頁面的顯示帶寬帶來了一定的負(fù)擔(dān)，造成控制頁面刷新速度較慢。經(jīng)調(diào)整后犧牲一部分控制精度，將信息采集時(shí)間間隔設(shè)為30 s，這樣既降低了溫濕度傳感器功耗，又可以滿足菇房草菇一個(gè)栽培周期（以20 d計(jì)算）的需求。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)web端

圖4 無線傳感器（左）及控制界面（右）

料溫傳感器采用8 根DS18B20 組成單總線，同時(shí)測定8個(gè)點(diǎn)的料溫，功耗略高于溫濕度傳感器，且料溫變化較空間溫度緩慢，因此將采集間隔設(shè)為3 min。

多次測試，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，可實(shí)時(shí)采集菇房內(nèi)溫濕度、料溫、二氧化碳等信息數(shù)據(jù)，并按既定邏輯完成通風(fēng)、內(nèi)循環(huán)、增濕、升溫操作。管理人員也可以登錄網(wǎng)頁及時(shí)觀測菇房內(nèi)環(huán)境參數(shù)信息以及各節(jié)點(diǎn)的基本狀態(tài)。

5 小結(jié)

基于無線傳感器的草菇栽培環(huán)境控制系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)人工調(diào)控環(huán)境更精準(zhǔn)、方便。無線傳感器的優(yōu)勢是便于拆卸安裝，既避免了巴氏滅菌對傳感器設(shè)備造成的損壞，降低維修成本，又保證了草菇栽培的效益，提高了草菇栽培自動(dòng)化控制技術(shù)。

在系統(tǒng)開發(fā)與試驗(yàn)過程中，筆者還發(fā)現(xiàn)了更多對自動(dòng)化控制系統(tǒng)的需求，例如扭結(jié)期小菇蕾數(shù)量與后期產(chǎn)量具相關(guān)性，在試驗(yàn)條件下，當(dāng)菇蕾密度達(dá)到250 個(gè)/m2以上時(shí)，成菇（商品菇）普遍在15 g 以下，難以達(dá)到市場銷售標(biāo)準(zhǔn)。因此今后可結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)，在催蕾階段實(shí)時(shí)計(jì)算單位面積平均菇蕾數(shù)量，當(dāng)小白點(diǎn)數(shù)量達(dá)到100～200 個(gè)/m2時(shí)自動(dòng)結(jié)束催蕾，以保證商品菇質(zhì)量。這項(xiàng)工作有待進(jìn)一步試驗(yàn)探索。