基于树莓派实现平菇栽培种自动种植系统的设计和实现

基于树莓派实现平菇栽培种

自动种植系统的设计和实现

徐征宇韩佳辰

摘要：本文从树莓派实现温湿度和二氧化碳浓度远程监测控制系统的搭建、平菇种植的特点、远程控制支持三个层次介绍了基于树莓派实现平菇栽培种自动种植系统的构建方式。并从菌类种植中最容易栽种的平菇品种的栽培技术标准操作流程的角度出发，对于摄像头集成和内网穿透两个关键实施节点进行了分析。通过这两个关键实施节点的控制来满足对于成本控制和自动化种植之间达成平衡的需求，同时也将对于其他种植户对于远程控制系统的实现提供参考。

关键字：菌类种植树莓派内网穿透

中图分类号：TP23；TP274 文献标识码：A

Design and implementation of automatic cultivation system for mushroom cultivars based on raspberry pie

Xuzhengyu /Hanjiachen

Abstract: This paper introduces the construction of automatic cultivation system of Pleurotus stratus based on raspberry pie from three levels: the construction of remote monitoring and control system for temperature, humidity and carbon dioxide concentration, the characteristics of Pleurotus stratus breeding and the support of we chat remote control. From the point of view of the standard operation process of cultivation techniques for the most easily planted strains of Pleurotus striates in fungus cultivation, two key implementation nodes, camera integration and Intranet penetration, were analyzed. Through the control of these two key implementation nodes to meet the balance between cost control and automatic planting needs, but also for other growers for the realization of remote control system to provide a reference.

Key words：Fungus cultivation； raspberry pi； Intranet penetration

1 项目背景

随着农业产业结构调整的不断深入，发展食用菌已经成为农业经济的主要支柱产业。食用菌产品作为绿色食品，以其丰富的营养价值，赢得了各消费阶层的喜爱，市场行情日益走俏。在食用菌生产中，所需的温度、湿度等得不到充分满足，从而会影响食用菌品种的产量、品质和外观形象，严重制约了食用菌种植产业进步和规模化发展。引入自动化监控和种植技术，对于吸引年轻人投身新型农业，提高农业劳力投入的单位产出效益具有重要意义。同时鉴于农业的季节性特点，如何在初次投入的试错成本控制和自动化种植的效益之间寻求平衡，也具有非常重要的探索意义。

借助信息化、智能化技术的逐步推进，将先进的传感、通信、云处理等物联网技术应用于农业领域，依靠智能传感技术获取更多的信息，依托网络的互联共享获得更多的远程实时服务，通过智能手机等移动终端实现更方便的远端测控，从而提高精细农业科学决策水平和作业实施水平，具有良好的运用前景。本文给出一种基于树莓派及Home Assistant智能操控引擎的温湿度及二氧化碳浓度控制系统，能够自动监测蘑菇的生长环境状态，并依靠设定的程序逻辑进行自动的降温和保湿处理，还可以通过智能手机微信上的Web view实施远程监测及操控。

2 系统总体设计

目前市场上的各类自动化种植系统主要针对大棚种植。而且都是基于私有协议和工控机系统，普遍存在价格高昂，实施周期长，扩展性不够。而国内目前农业还是以农户家庭作业为主，巨大的资金需求，限制了自动化种植系统的推广。因此如何在设计时候，能够寻求成本控制和自动化种植推广之间的平衡点，显得尤为重要。

2.1远程监测监控系统的搭建

图1 系统架构搭建图

系统的总体框图如图1所示，中控系统以树莓派为控制核心，集成开源的Home Assistant智能操控引擎。通过WIFI网关构建的局域网，和育种室的传感器系统交互数据和控制信号。Home Assistant配置的基于内网的Web View操作界面，通过开源的花生壳内网穿透云服务，绑定公网域名。从而实现远程的PC端和手机微信端可以不受空间和时间限制访问并且控制平菇的种植环境，监控平菇的生长。

使用树莓派除了其开源，定制容易，价格廉价之外。还有如下优点：

接口完整，本系统采用的3B+模块支持蓝牙4.2，BLE，双频WIFI，以太网，GPIO，4个标准USB，全尺寸HDMI，CSI相机口，DSI触屏口，便于接入各种外设进行调试测试与开发
系统标准：可以安装基于Debain开发的Raspbain发行版，Ubuntu，win10 IOT等操作系统。几乎所有的流通于Linux下的软件都得到支持。
社区活跃：树莓派已拥有数千万使用者，第三方资料丰富，配件，插件，软件种类繁多.

本系统选择的各类传感器，均可以在淘宝网上廉价购得，极大降低用户的使用和维护成本。

温湿度传感器：采用DHT12 采用esp的Node Mcu模块控制，用单总线读取DHT12传感器的数据。其有效测量范围为：湿度20%~90%RH，温度0~50℃。满足育种室控制系统的测量要求。
二氧化碳浓度传感器采用了瑞典SenseAir S8 0053. 采用esp的Node Mcu模块控制，用UART方式读取一个Senseair S8二氧化碳传感器的数据。该传感器具有功耗低、体积小、高精度、可靠性高、稳定性强。其测量范围：400~2000ppm。支持URAT、Modbus串行通讯协议。

所有传感器均通过NodeMcu IFI串口模块读取数据，依靠Wifi数传模组，走MQTT协议，通过WIFI网关把数据传送给树莓派处理。Node MCU是开源的物联网平台。它可以使用Lua脚本语言编程。该平台基于eLua开源项目,底层使用ESP8266 sdk 0.9.5版本。该平台使用了很多开源项目, 例如 lua-cjson, spiffs. NodeMCU包含了可以运行在esp8266Wi-FiSoC芯片之上的固件,以及基于ESP-12模组的硬件。项目组先给Node MCU刷入espeasy固件，通过图形化的界面进行操作。温湿度传感器DHT12和二氧化碳传感器SensorAir S8接入NodeMCU，并通过MQTT协议传输数据到自建的MQTT broker，Home assistant系统通过订阅相关主题实现对设备数据的获取。

MQTT协议构建于TCP/IP协议上，应用于机器间、网络不稳定、宽带需求低、有自动化控制需求的场景。MQTT客户端只要连上服务器，订阅约定好的主题，就可以实时接收其他客户端对这个主题发布的消息。同时：任何客户端对一个约定好的主题发布消息，所有订阅这个主题的客户端都可以接收到此消息。

照明、排气扇和控制雾化浇灌系统的四分电磁阀均属于强电系统。传统都是通过继电器通过GPIO接口专线直连树莓派。由于育种室比较潮湿，但是处于同一个WIFI路由的信号覆盖范围内，因此为了延长中控系统的使用寿命。本系统不适合把中控系统布置在育种室，而是选择了有WIFI支持模组的ESP8266模块芯片支持的继电器，用来控制强电开关的开启、闭合，从而达到用手机微信远程控制照明、排气扇和雾喷浇灌系统的启动、关闭的目标。sonoff开关采用esp8266芯片实现控制，可以通过ESPHOME软件实现固件的快捷开发配置与写入。写入固件后连入同一局域网可以被Home Assistant的EspHome组件自动识别，进而实现自动化管理。而控制信号不走专线直连，而是经过WIFI网关和树莓派进行穿墙的信号控制交互。

2.2 平菇的种植特点

平菇是食用菌中最易栽培的菌类，一般秋冬和春季产，夏季高温高湿易发病虫害，栽培量少。但是夏季市场依旧有旺盛的市场需求，因此选在高温品种，如秀珍菇，进行科学种植，依旧可以获得不错的收益。本系统采用平菇的3级栽培种，进行了自动化的种植试验。由于菌类每季的遗传性状有起伏，为了避免损失，在大规模开展大棚种植前，进行育种室的少量试验种植，摸索该批次菌种的最佳出菇温湿度控制曲线是非常必要的。因此研发一套不同于成熟的大棚远程控制种植系统，采用一个扩展性强，价格低廉的育种室菌类自动栽培系统将可以有效填补目前的市场空白，满足菇农的种植需求。

项目组选择了4个平菇3级种植包进行栽种试验，3级种植包已经长处了菌丝，但是处于休眠状态，需要在合适的温湿度条件下，才能长出子实体，从而可以采摘食用。1）气温在37℃以上，菌袋只能平铺在地面出菇，袋间距2~3厘米，当自然温度降低到32℃以下时，可以码2~3层以提高空间利用率。夜间要打开所有通风口，进行通风降温；2）当菌袋出现菇蕾后，袋口应该全部打开，以利于菌丝呼吸热的散发和二氧化碳排出，避免出菇其烧菌；管理上要注意勤碰水，保持空气相对湿度85%以上，防止料面干裂。

温度：出菇期间育种室温度控制在25~28℃，温度超过30℃子实体盖薄，产量低。

湿度：出菇期间育种室空气绝对湿度保持在85%以上。

二氧化碳浓度：出菇期间育种室浓度控制500ppm以下。必须保证育种室有足够新鲜空气，通风不良，二氧化碳浓度积累太高，菇盖不能正常打开。采用每天早晚通风30分钟，可满足平菇子实体生产要求。通风时不能直接吹菌袋上，防止幼菇失水死亡。

光照：微弱光照下分化不良，不能形成正常菇盖。因此出菇期，要引入自然散射光每天照射2到3小时。但是不能直射。因此育种室可以安装模拟散射光的LED灯，补充光照，也便于远程观察平菇长势。

掌握了平菇出菇期的生产特点，项目组研发的系统在未来可以设定自动种植周期，及时通风和进行雾喷，和打开LED照明灯，以保证合适温湿度、二氧化碳浓度和合适光照时间。

2.3远程控制支持

如何使手机可以远程监控育种室的温湿度变化。目前传统做法有两种，树莓派通过专线走GPIO协议直连各类传感器。树莓派再通过网线连接一个分配了外网IP的路由器。处于外网的手机设计专门的APP，通过Socket和树莓派进行直接通讯。这个方案实现内外网穿透有很多限制条件。首先，需要购买昂贵的外网IP绑定路由器；其次，面临树莓派和手机端APP的大量开发和定制工作，由此导致交付成本提高，扩展性不够。并不适合在面向农业的自动化种植系统中使用。

另外一种方法，是选择公有的云平台，如YeeLink。使树莓派把接收到的传感器数据直接上传到公网的云平台。通过自己开发的手机App读取云平台提供的接口获取数据，或直接使用云平台开发的App实现远程监控。该方案对于未来的大规模推广使用，存在数据不可控的安全隐患。同时在本项目小规模使用的场景下，租用云平台是一笔很大的费用。同时需要定制或安装App，存在管理上的机会成本。

综合目前的应用场景，项目组分析了国内外20多个物联网集成系统。最终根据社区活跃度，资料详实度和使用便捷性，最终选取了开源平台Home Assistant作为本蘑菇种植系统的现阶段可行方案。

Home Assistant定位于开源家庭自动化，将本地控制和隐私放在第一位。由世界各地的开发者提供支持。非常适合在Raspberry Pi或本地服务器上运行。Home Assistant目前至少已支持1455种不同品牌标准的设备接入系统，包括苹果、小米、飞利浦、宜家等智能设备也可以通过MQTT、HTPP等标准协议接口开发多项功能实现设备接入与控制。同时支持灵活的二次开发，实现自定义的各种硬件交互功能。Home Assistant支持设备自动化设置。满足设定的触发条件和环境条件即可控制设备的开关等各种设备行为。

Home Assistant可以直接安装在树莓派上，并且定义基于HTML5格式的Web View界面，通过内网URL地址，可以进行访问和调式。Web View界面也同样适配微信，因此不用开发App和小程序，极大降低了用户的使用和推广门槛。

当然，用户如果在异地要通过手机微信访问操控界面，由于内外网的隔离，不能直接进行。因此本方案采用了基于免费花生壳内网穿透云服务。具体实现方式，在后续章节将详细介绍。

图2 WebVIew前端操作界面截图

3 关键技术实现

由于平菇育种室没有人24小时值守，为了节约日益增长的人力成本，方便管理，必须要实现远程控制。对于现代新型农民而言最方便的操作终端是智能手机，最方便的操作APP，是每台手机都几乎安装的微信。因此通过Web View界面在微信上可以远程监控蘑菇的生产情况，就必须解决两个技术难点。第一是摄像头集成到树莓派，实现图像的远程传输，以便于远程观察平菇长势；第二是内外网穿透，实现内网的Web View界面可以在互联网可以操控。

3.1 摄像头集成

项目组选用了性价比非常高的ESP32-CAM模块及OV2640摄像头，使用了体积超小的802.11b/g/n Wifi+BT/BLE SoC模块，其淘宝采购价不到50元，比市面的任何监控摄像方案都要廉价。其采用了低功耗的双核32位CPU作为应用处理器，主频高达240MHz，运算能力高达600DMIPS,内置520KB的SRAM，外置4M的PSRAM，支持UART、SPI、I2C、PWM、ADC、DCA等接口。OV2640摄像头自带闪关灯，支持图片的WIFI上传。被广泛应用于各种物联网场合，完全可以满足平菇育种室自动控制系统的需要。

ESPHome 软件原生支持了对ESP32-CAM的固件烧写，虽然缺少功能定制，但对于本项目需要的画面获取已经足够，故使用ESPHOME刷入相机固件直接接入Home Assistant系统。接入过程如下：

1、安装python2.7到树莓派

下载地址：https://www.python.org/downloads/

linux下：

sudo apt install python

sudo apt-get install python-pip

安装完检查版本：

python --version

python2 --version #linux

2、安装esphome

pip2 install esphome

3、启动web设置向导

# Install dashboard dependencies

pip2 install tornado esptool

cd /home/homeassistant/.homeassistant

esphome config/ dashboard

我们cd到配置目录会在下面创建config文件夹，之后的配置文件会在这里生成

做完这一步：console会显示一个端口（我这里是6052），浏览器访问对应的http://host：port即可连上。

4、添加摄像头

esphome:

name: minicam

platform: ESP32

board: esp-wrover-kit

wifi:

ssid: “WIFI SSID”

password: "WIFI密码"

# Enable logging

logger:

# Enable Home Assistant API

api:

ota:

# Example configuration entry

esp32_camera:

external_clock:

pin: GPIO0

frequency: 20MHz

i2c_pins:

sda: GPIO26

scl: GPIO27

data_pins: [GPIO5, GPIO18, GPIO19, GPIO21, GPIO36, GPIO39, GPIO34, GPIO35]

vsync_pin: GPIO25

href_pin: GPIO23

pixel_clock_pin: GPIO22

power_down_pin: GPIO32

# Image settings

name: minicam # ...

resolution: 1024x768

jpeg_quality: 10

连好硬件和串口工具插上usb到esphonme安装设备，点击upload烧录

完成后重新上电，HA就会发现新设备，而esphome的配置页面也会显示新设备online。

3.2 内网穿透技术实现

项目组首先注册免费花生壳内网穿透云服务，把申请到的公网域名在树莓派绑定到位于内网的Home Assistant的web view控制URL，从而实现了内外网穿透。具体操作如下：

1）到花生壳下载树莓派版本https://hsk.oray.com/download/

目前项目组下载的文件是phddns_3.0.3_systemd.deb，所以安装指令是：

dpkg -i phddns_3.0.3_systemd.deb

安装完后给出一个sn码和默认登录密码。

2）使用这个密码登陆花生壳管理界面，按照界面提示完成花生壳的配置，开通内网穿透服务即可。

4 总结

该文介绍了一个基于树莓派控制的平菇育种室种植控制系统，区别于大型高昂的大棚温室控制系统的实现方案，基于开源树莓派为控制中枢，广泛使用来自网上商城订购的开源元器件实现系统集成，在可靠高效使用和成本控制之间寻求平衡，满足了资金有限的菇农对于基于物联网技术自动化种植系统的需求。通过申请免费的花生壳内外网穿透云服务，把位于内网的传感器采集数据，可以在手机上实现远程监控。运用WIFI继电器、WIFI数组模块和WIFI网关和树莓派构建了一个不需要布设网线的内网生产采集环境，极大满足了菇农的个性化定制需求，将对今后基于物联网的自动化农业种植监控系统提供有益参考。

参考文献

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[2] 冯志辉. 使用树莓派实现网络监控系统 [J]. 电子技术与软件工程 2015.5

[3] 李建利. 夏季高温平菇栽培技术[J]. 农民致富之友, 2016 , 8 :158-159

[4]杨浩深. 基于树莓派的远程家居控制系统的设计[J]. 电子制作,2017(7):32-34

[5]冯金哲. 一种Symmetric-NAT穿透的新方法 [J]. 计算机应用与软件,2017(1):126-127

[6]田新英. 智能温室控制系统技术 [J]. 电子技术与软件工程, 2016.24

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