第 1 章 绪论
1.1 课题的研究背景
1.1.1 研究背景
食用菌作为一种传统有机的大型真菌，它的营养价值、药用价值、医疗保健功效逐步受到人们的青睐。虽然我国已逐渐成为食用菌生产的重要产地之一，但是与国外食用菌的品质和产量相比还具有一定的差距，主要原因是食用菌生长过程中对不同环境因子的要求非常苟刻[1]。所以，食用菌菌菇房环境因子对其生长影响的调控理论和方法的研究，是提升食用菌品质和产量的重点研究方向。
河北省保定市阜平县是北温带大陆性季风气候，由于远离海洋湖泊，湿润气候难以到达，因而干燥少雨，气温的日较差和年较差较大，春季多风干冷，夏季高温降水集中，秋季凉爽，冬季寒冷干燥。阜平县面积近 2500 平方公里，山地面积却占到了全县土地面积的 80%，荒山多、耕地少使得土地难以得到有效的利用。近年来，在政府的推动下，阜平县全力发展食用菌培植产业，但由于缺乏科学的指导，使得食用菌温室管理仍然处于依靠经验管理的农业生产模式，即家庭式手工作坊模式。该模式的缺点是生产规模小、单位面积产量低、结构单一、生产效益差等。随着人们对食用菌消费需求的不断增加，依靠传统管理提高劳动生产率的食用菌种植模式已经不能适应现代化精细农业的发展要求，所以改变传统生产劳作方式就变得愈加重要[2]。因此，结合现代化的物联网技术，建立一套适合本地生产需求的食用菌智慧农业系统是非常必要的。
1.1.2 选题意义
随着国家“互联网+”发展战略的提出，中国现代农业正逐步的快速发展，对先进的农业生产技术、科学管理以及智能化体系的需求越来越强烈。当前急需一种智能化、自动化的环境控制系统来改善食用菌的生产种植条件。
智慧农业，就是将物联网技术应用于传统农业，并把无线传感技术和计算机技术有机的结合起来，通过手机或计算机平台来达到远程控制的目的。在国外，智能监控已经成为农作物生产指数监测的一种主要方式，并且农业生产人员已将智能控制作为新时期下监控农业生产环境的有效途径。基于物联网的智慧农业研究具有以下意义：
1) 通过无线感知设备实时地监测食用菌生产过程中的环境因子，可建立最完整的质量追溯系统，实现食用菌各个阶段的全程视频监控、关键生产要素的图文信息记录，健全农产品质量的监管体系；
2) 将影响食用菌生产的环境因子的数据进行存储并处理，并通过远程控制的方式可对相应的设备进行自动化地调控，可减少人力的消耗，改善单纯依靠人工经验的生产形式，使之向新型管理方式发展；
3) 应用物联网技术的食用菌智慧农业，可以优化传统食用菌产业，提高食用菌的产量和市场占有率，推动食用菌行业的可持续发展。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外物联网发展现状
物联网，顾名思义就是物与物通过互联网而连接。换句话说，就是按照某种约定的协议将 RFID（射频识别设备）、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System，通常简称 GPS）等多种传感设备连接起来，使它们能够通过互联网互相访问，从而实现对现实世界物体的自动化、智能化地识别、定位、跟踪、监控和管理[3,4]。在此基础上达到任何物品与互联网的连接，实现信息的交换与通讯。由于其应用广泛，物联网也被称为继计算机技术、互联网技术之后世界信息产业发展的又一次浪潮[5]。
相对于国内物联网的缓慢发展，国外的物联网从概念的提出到现如今的飞速发展已有二十多年。在国际上，德、日、美等发达国家，凭借先进的科学技术，其物联网的发展已经达到生产自动化的新高度，并不断地推动着新兴科技产业的发展。无可否认的是，美国凭借其无可比拟的经济实力、研究水平以及产业实力，在物联网革命中始终处于前沿地位，极大地推动了物联网技术的应用与发展。韩国最大的电子巨头——三星公司，其电子产品风靡全世界，深受广大年轻人的喜爱。该公司不仅生产手机等电子产品，还着重研究互联网家电，如将 Wi-Fi 模块应用于家用冰箱。电子产品的推广使得人们可以随时随地的查看社会新闻、天气预报，还可以与谷歌的日程安排同步，真正做到了物联网家用化、智能化。日本也凭借其发达的电子产业、信息产业跻身于物联网技术的研究与开发行业的前茅，其发展目标是通过多重技术使得行政事务达到标准简单、效率高效并且极具简单的工作流程，同时不断地推进电子病历、远程医疗以及远程教育的发展[6]。2017 年 4 月，日本通信运营商 NTT Do Co Mo 宣布结合物联网与人工智能技术，在三个月内推出面向奶农的新服务。奶农可以通过观测安装在奶牛脖子上的传感器，精确地监测其发情期，进而增加挤奶量，提高牛奶产量。
3.1 Wi-Fi 无线传输方式 ···················· 15随着国家“互联网+”发展战略的提出，中国现代农业正逐步的快速发展，对先进的农业生产技术、科学管理以及智能化体系的需求越来越强烈。当前急需一种智能化、自动化的环境控制系统来改善食用菌的生产种植条件。
智慧农业，就是将物联网技术应用于传统农业，并把无线传感技术和计算机技术有机的结合起来，通过手机或计算机平台来达到远程控制的目的。在国外，智能监控已经成为农作物生产指数监测的一种主要方式，并且农业生产人员已将智能控制作为新时期下监控农业生产环境的有效途径。基于物联网的智慧农业研究具有以下意义：
1) 通过无线感知设备实时地监测食用菌生产过程中的环境因子，可建立最完整的质量追溯系统，实现食用菌各个阶段的全程视频监控、关键生产要素的图文信息记录，健全农产品质量的监管体系；
2) 将影响食用菌生产的环境因子的数据进行存储并处理，并通过远程控制的方式可对相应的设备进行自动化地调控，可减少人力的消耗，改善单纯依靠人工经验的生产形式，使之向新型管理方式发展；
3) 应用物联网技术的食用菌智慧农业，可以优化传统食用菌产业，提高食用菌的产量和市场占有率，推动食用菌行业的可持续发展。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内外物联网发展现状
物联网，顾名思义就是物与物通过互联网而连接。换句话说，就是按照某种约定的协议将 RFID（射频识别设备）、红外感应器、全球定位系统（Global Positioning System，通常简称 GPS）等多种传感设备连接起来，使它们能够通过互联网互相访问，从而实现对现实世界物体的自动化、智能化地识别、定位、跟踪、监控和管理[3,4]。在此基础上达到任何物品与互联网的连接，实现信息的交换与通讯。由于其应用广泛，物联网也被称为继计算机技术、互联网技术之后世界信息产业发展的又一次浪潮[5]。
相对于国内物联网的缓慢发展，国外的物联网从概念的提出到现如今的飞速发展已有二十多年。在国际上，德、日、美等发达国家，凭借先进的科学技术，其物联网的发展已经达到生产自动化的新高度，并不断地推动着新兴科技产业的发展。无可否认的是，美国凭借其无可比拟的经济实力、研究水平以及产业实力，在物联网革命中始终处于前沿地位，极大地推动了物联网技术的应用与发展。韩国最大的电子巨头——三星公司，其电子产品风靡全世界，深受广大年轻人的喜爱。该公司不仅生产手机等电子产品，还着重研究互联网家电，如将 Wi-Fi 模块应用于家用冰箱。电子产品的推广使得人们可以随时随地的查看社会新闻、天气预报，还可以与谷歌的日程安排同步，真正做到了物联网家用化、智能化。日本也凭借其发达的电子产业、信息产业跻身于物联网技术的研究与开发行业的前茅，其发展目标是通过多重技术使得行政事务达到标准简单、效率高效并且极具简单的工作流程，同时不断地推进电子病历、远程医疗以及远程教育的发展[6]。2017 年 4 月，日本通信运营商 NTT Do Co Mo 宣布结合物联网与人工智能技术，在三个月内推出面向奶农的新服务。奶农可以通过观测安装在奶牛脖子上的传感器，精确地监测其发情期，进而增加挤奶量，提高牛奶产量。
目前，我国物联网产业也在迅速发展，据工业和信息化部的数据显示，2014 年中国整个物联网的销售收入达到 6000 亿元以上规模；中国 M2M（机器与机器通信）连接数在 2014 年已突破 7300 万，占全球 M2M 连接数的 30%。此外，RFID 市场在物流、零售业取得了一定的突破，但由于涉及的产业链较长，产业组织较为复杂，产业规模有限，使得整体市场的发展较为迟缓。除此之外，物联网前期的基础设施建设还需要耗费大量的人力、物力。由于我国各地对物联网的重视程度、发展规划以及投入成本不同，导致现阶段物联网基础实施的建设复用率不高，协同程度较低，人力和物力不能得到有效利用；此外，由于我国人口基数较大，地区经济发展不均衡，导致物联网在普及过程存在较大的难度。因此我国物联网的研究与发展仍然处于初期阶段，其相关技术还不成熟。
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第 2 章 食用菌智慧农业系统总体设计
第 2 章 食用菌智慧农业系统总体设计
2.1 总体需求
物联网可以凭借其先进技术促进传统的食用菌产业向着信息化、自动化和智能化方向转型，大幅度提升食用菌的产量，可缓解大量人力的消耗，使得生产要素达到高效地利用，对构建食用菌的可续发展有着重要的意义。本文充分利用物联网技术，设计并开发了基于物联网的食用菌智慧农业系统。该系统的主要用户为大棚基地内的非技术人员，因此系统需要满足简单系统、方便操作以及界面有好等功能。系统的需求包括数据采集的需求、数据传输的需求、数据存储需求和数据管理的需求[18]。
物联网可以凭借其先进技术促进传统的食用菌产业向着信息化、自动化和智能化方向转型，大幅度提升食用菌的产量，可缓解大量人力的消耗，使得生产要素达到高效地利用，对构建食用菌的可续发展有着重要的意义。本文充分利用物联网技术，设计并开发了基于物联网的食用菌智慧农业系统。该系统的主要用户为大棚基地内的非技术人员，因此系统需要满足简单系统、方便操作以及界面有好等功能。系统的需求包括数据采集的需求、数据传输的需求、数据存储需求和数据管理的需求[18]。
2.1.1 数据采集需求
该系统可以将食用菌种植过程中所涉及到的环境因子进行实时的采集。其中影响食用菌生长的因素有很多，包含内部和外部因素，但并不是所有因素都需要被采集，所以该系统对于影响食用菌种植的主要环境因子：温度、空气湿度、土壤温度、以及光照强度进行采集；食用菌栽培基地面积较为广阔，而单点监测覆盖的面积较小，不能完全覆盖基地，因此不能使用单点监测，应在基地广泛使用多点监测，部署多个传感器进行数据的采集与监测；食用菌环境因子采集的时间间隔为一分钟，这样数据库中会存储海量的数据，所以数据库的设计需要满足较高的要求。
2.1.2 数据传输需求
采集后的数据可以通过网络进行正常的通信，将其传输到服务端，从而保证数据的安全、稳定、可靠性。一般情况下食用菌种植基地都处于较为偏僻的地方，其网络通讯并不是很畅通，所以需要和网络供应商进行沟通并且优化服务器代码来保证数据可以正常、稳定的传输。此外，通讯协议的选择也是保证数据传输稳定的重要条件。
2.1.3 数据存储需求
系统将实时监测、采集到的数据通过网络上传到服务器中，然后再进行一定的处理，并按照一定的格式将其存储在数据库中，便于数据的分析以及历史数据的查询。数据的存储应设置用户的权限以及角色管理，对不同的角色授予不同的权限。数据量会随着不断采集而变得越来越多，数据库应设计合理的数据表结构，对一些时间较为久远的历史数据进行自动定期的删除；数据库中的信息会根据用户的需求进行不同维度的查询，要保证数据可以被实时的调用和读取；数据的存储应做到高安全、易管理、高时效性等特点。
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第 3 章 系统硬件电路设计 ······················ 15
采集后的数据可以通过网络进行正常的通信，将其传输到服务端，从而保证数据的安全、稳定、可靠性。一般情况下食用菌种植基地都处于较为偏僻的地方，其网络通讯并不是很畅通，所以需要和网络供应商进行沟通并且优化服务器代码来保证数据可以正常、稳定的传输。此外，通讯协议的选择也是保证数据传输稳定的重要条件。
2.1.3 数据存储需求
系统将实时监测、采集到的数据通过网络上传到服务器中，然后再进行一定的处理，并按照一定的格式将其存储在数据库中，便于数据的分析以及历史数据的查询。数据的存储应设置用户的权限以及角色管理，对不同的角色授予不同的权限。数据量会随着不断采集而变得越来越多，数据库应设计合理的数据表结构，对一些时间较为久远的历史数据进行自动定期的删除；数据库中的信息会根据用户的需求进行不同维度的查询，要保证数据可以被实时的调用和读取；数据的存储应做到高安全、易管理、高时效性等特点。
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2.2 可行性分析
食用菌是一种大型真菌，深深地受到人们的青睐，极大地丰富了人们的生活，充实了人们的菜篮子。食用菌的发展对于新世纪农村的开发和建设有很大的帮助，使得农业向着多元化发展，最终实现农业现代化转型。
从技术上方面而言，通过各种传感器可以实时采集影响食用菌种植过程中的空气温度、空气湿度、土壤温度以及光照强度等环境因子，充分利用视频监控设备来监控食用菌不同生长阶段的状态，远程监测其生长，便于专家在线查看食用菌的生长状态，提出合理化建议；利用 RFID、条形码技术，可以建立农产品的安全溯源系统，促进农产品的品牌建设，从而提升农产品的附加值。
从操作可行性而言，本系统采用 B/S 架构，用户是食用菌生产管理者，用户在登录系统后，便可以随时随地查看食用菌的生长情况，该操作界面直观、简单、友好，便于操作。
综上所述，不论是从现实层面、技术角度还是操作可行性考虑，使用物联网技术来开发一款食用菌智慧农业系统是完全可行的，因此可以对其进行设计和开发。
目前无线通信技术有较好的发展，比较常见的无线通信技术有 802.11b、IrDA、蓝牙、ZigBee 以及 Wi-Fi 等。各类短距离无线通信在通信距离、传输速率以及应用领域各有不同的特点，在使用过程中可以取长补短。表 2-1 是对各类无线通信技术的比较。
食用菌是一种大型真菌，深深地受到人们的青睐，极大地丰富了人们的生活，充实了人们的菜篮子。食用菌的发展对于新世纪农村的开发和建设有很大的帮助，使得农业向着多元化发展，最终实现农业现代化转型。
从技术上方面而言，通过各种传感器可以实时采集影响食用菌种植过程中的空气温度、空气湿度、土壤温度以及光照强度等环境因子，充分利用视频监控设备来监控食用菌不同生长阶段的状态，远程监测其生长，便于专家在线查看食用菌的生长状态，提出合理化建议；利用 RFID、条形码技术，可以建立农产品的安全溯源系统，促进农产品的品牌建设，从而提升农产品的附加值。
从操作可行性而言，本系统采用 B/S 架构，用户是食用菌生产管理者，用户在登录系统后，便可以随时随地查看食用菌的生长情况，该操作界面直观、简单、友好，便于操作。
综上所述，不论是从现实层面、技术角度还是操作可行性考虑，使用物联网技术来开发一款食用菌智慧农业系统是完全可行的，因此可以对其进行设计和开发。
目前无线通信技术有较好的发展，比较常见的无线通信技术有 802.11b、IrDA、蓝牙、ZigBee 以及 Wi-Fi 等。各类短距离无线通信在通信距离、传输速率以及应用领域各有不同的特点，在使用过程中可以取长补短。表 2-1 是对各类无线通信技术的比较。
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第 3 章 系统硬件电路设计 ······················ 15
3.2 ESP8266 开发板 ····················· 17
3.3 Node MCU 固件平台 ··················· 20
第 4 章 食用菌温室环境模糊控制系统的设计 ····················· 3
4.1 食用菌温室大棚的特点 ······················· 33
4.1.1 食用菌生长环境的要求 ··············· 33
4.1.2 食用菌环境因子的调控策略 ······················ 36
第 5 章 系统软件设计与实现 ························ 51
5.1 系统架构的选取 ······················· 51
5.2 数据库设计与实现 ·············· 51
第 5 章 系统软件设计与实现
5.1 系统架构的选取
在目前的软件结构设计中，常用的设计架构主要是客户端/服务器架构(C/S)和浏览器/服务器架构(B/S)。
C/S 架构的系统由于需要在客户端以及服务端都需要安装专业的应用软件，所以不能跨平台运行，与此同时也会降低软件的可移植性，使得软件升级维护变得繁琐和困难。因此，本文采用 B/S（Browser/Server，浏览器/服务器）架构。它是一种以Web 技术为基础的模式。B/S 模式由浏览器端，即客户端、Web 服务器端、数据库服务器这三层构成。B/S 模式最大的优势是操作及维护较为方便，用户可以通过 LAN、WAN、Internet 等不同方式对数据进行查询或操作。
本文共设计 6 张表，主要包含用户信息表 TB_MRGH_USERS、环境因子参数表TB_MRGH_DATA_ACQUISITION、基地管理表 TB_MRGH_MONITOR、大棚管理表 TB_MRGH_HOUSE_MONITOR、设备管理表 TB_MRGH_DEVICE_MANAGE 和历史图片表 TB_MRGH_HISTORY_IMAGES。
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结论
食用菌现在仍旧采取的是以提高劳动生产率和依靠经验管理的农业生产模式，对食用菌生长过程所涉及的环境因子的调控依赖于人工积累的长期经验，这在一定程度上阻碍了我国食用菌产业的进一步发展，针对上述问题，本文设计了基于物联网的食用菌智慧农业系统，本文主要做了以下具体工作：
食用菌现在仍旧采取的是以提高劳动生产率和依靠经验管理的农业生产模式，对食用菌生长过程所涉及的环境因子的调控依赖于人工积累的长期经验，这在一定程度上阻碍了我国食用菌产业的进一步发展，针对上述问题，本文设计了基于物联网的食用菌智慧农业系统，本文主要做了以下具体工作：
1) 调研分析了国内外物联网以及食用菌温室大棚栽培技术的现状和发展趋势。着重对食用菌生长环境进行分析，并以此为依据，详细阐述了空气温湿度、土壤温湿度、CO2 浓度以及光照强度等环境因子的调控策略。同时，对基于物联网的食用菌智慧农业系统的设计原理作了阐述。
2) 对本系统进行了详细的需求分析和功能设计。本文实现了设备管理、预警分析、行业资讯、数据查询与系统管理的预定功能。对系统的硬件和软件部分分别做了详细的设计。
3) 利用传感器设备对食用菌生长过程中的环境因子进行采集，并将数据上传到基于 ESP8266 的 Node MCU 开发板中。利用即时通讯协议 MQTT，把数据上传至服务器，从而完成了食用菌环境因子的实时采集。
4) 学习模糊推理的理论，依据温度和湿度的控制需求，设计了针对温湿度的模糊控制器，解决了温湿度之间的耦合问题。并利用 MATLAB 模糊控制工具箱对其进行设计，得到了模糊输入和输出的控制决策表以及三维曲面图。
5) 运用 Springboot 开发框架，采用 MVC 设计模式，设计并开发了基于物联网的食用菌智慧农业系统，用户可以随时随地的远程查看食用菌大棚内的监控情况，并对采集到的环境因子的进行统计、分析，将其图形化，图文并茂地呈现给用户，使得用户可以精准快速地获取食用菌大棚内环境因子的变化规律。
2) 对本系统进行了详细的需求分析和功能设计。本文实现了设备管理、预警分析、行业资讯、数据查询与系统管理的预定功能。对系统的硬件和软件部分分别做了详细的设计。
3) 利用传感器设备对食用菌生长过程中的环境因子进行采集，并将数据上传到基于 ESP8266 的 Node MCU 开发板中。利用即时通讯协议 MQTT，把数据上传至服务器，从而完成了食用菌环境因子的实时采集。
4) 学习模糊推理的理论，依据温度和湿度的控制需求，设计了针对温湿度的模糊控制器，解决了温湿度之间的耦合问题。并利用 MATLAB 模糊控制工具箱对其进行设计，得到了模糊输入和输出的控制决策表以及三维曲面图。
5) 运用 Springboot 开发框架，采用 MVC 设计模式，设计并开发了基于物联网的食用菌智慧农业系统，用户可以随时随地的远程查看食用菌大棚内的监控情况，并对采集到的环境因子的进行统计、分析，将其图形化，图文并茂地呈现给用户，使得用户可以精准快速地获取食用菌大棚内环境因子的变化规律。
参考文献（略）