黃梅春，宋俊慷，韋樹貢，楊秀增

（廣西民族師范學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)集成與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 崇左 532200）

食用菌是一種大型真菌，其營養(yǎng)不僅豐富，還含有多糖核酸藥用成分，是人們公認(rèn)的具有保健功能的綠色食品[1-3]。目前，我國食用菌總產(chǎn)量大，是公認(rèn)的食用菌生產(chǎn)大國，從總體來看，與西方發(fā)達(dá)國家相比，目前我國栽培食用菌生產(chǎn)模式還比較落后[4-5]，大規(guī)模生產(chǎn)程度還比較低，生產(chǎn)成本高，經(jīng)濟(jì)效益低。因此，研制自動化食用菌監(jiān)測設(shè)備，對增高食用菌生產(chǎn)效益具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對以上情況，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[5-8]和智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)能實(shí)時(shí)監(jiān)測食用菌生長的無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)[9]，本節(jié)點(diǎn)能實(shí)時(shí)采集食用菌大棚的溫度、濕度、CO2的含量和光照強(qiáng)度，并能根據(jù)當(dāng)前采集到的參數(shù)值和預(yù)設(shè)置參數(shù)值，控制食用菌大棚中的電機(jī)設(shè)備，為食用菌生長發(fā)育創(chuàng)造穩(wěn)定的生長環(huán)境。

1 無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)

圖1 為無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)框圖，由太陽能電池板組件、太陽能充電管理模塊、鋰電池、單片機(jī)控制器、RS232/485 轉(zhuǎn)換電路、CO2傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、LCD 觸摸顯示模塊、CC2530 通信模塊、繼電器驅(qū)動模塊、繼電器和加濕機(jī)、風(fēng)扇卷簾機(jī)等各種執(zhí)行單元組成。為了解決節(jié)點(diǎn)的供電問題，采用太陽能供電方式。如圖1 所示，電池板組件作用是把光能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能充電管理模塊作用是保護(hù)鋰電池，防止鋰電池過充和過放。單片機(jī)控制器是節(jié)點(diǎn)的控制中心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、顯示和控制任務(wù)的執(zhí)行等工作。CO2傳感器、光照傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器用于分別負(fù)責(zé)采集周圍環(huán)境的CO2濃度、光照強(qiáng)度、溫度和濕度值。RS232/485 轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)控制器的UART1 相連，負(fù)責(zé)傳感器和單片機(jī)控制器不同通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。LCD 觸摸顯示模塊是輸入與輸出設(shè)備，與單片機(jī)控制的UART3 相連，用于顯示數(shù)據(jù)值和節(jié)點(diǎn)控制參數(shù)修改。CC2530 通信模塊與單片機(jī)控制器的UART0 相連，負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器。繼電器與單片機(jī)的P2 口相連，控制相應(yīng)繼電器的通斷，負(fù)責(zé)加濕機(jī)、風(fēng)扇和卷簾機(jī)等設(shè)備的啟動和停止。

圖1 無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器電路設(shè)計(jì)

圖2 為傳感器電路設(shè)計(jì)原理圖，由傳感器、RS232/485 轉(zhuǎn)換電路和光電耦合電路組成。在選擇傳感器時(shí)，都選用自帶RS485 通信協(xié)議的工業(yè)級的光照、CO2和溫濕度傳感器。為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與傳感器之間通信，要設(shè)計(jì)RS232/485 轉(zhuǎn)換電路，如圖2 所示。選用Maxim 公司低功耗轉(zhuǎn)換芯片MAX485，其內(nèi)部含有一個(gè)驅(qū)動器和一個(gè)接收器。第1 引腳為接收器的輸出口，與光電耦合器件的第2 引腳相連，當(dāng)驅(qū)動器輸出引腳R 為低電壓時(shí)，光電耦合器U1 導(dǎo)通，第5 引腳為低電壓，單片機(jī)RXD 讀到低電壓，相反，當(dāng)驅(qū)動器輸出引腳R 為高電壓時(shí)，光電耦合器U1 截止，第5 引腳輸出高電壓，單片機(jī)RXD 引腳接到高電壓。MAX485 的第4 引腳是驅(qū)動器的輸入口，與光電耦合的第5 引腳相連，當(dāng)單片機(jī)TXD 輸出低電壓時(shí)，光電耦合器U2 件處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合器U2 的第5 引腳為低電壓，MAX485 的第4 引腳輸入低電壓，相反，當(dāng)單片機(jī)TXD 輸出高電壓時(shí)，光電耦合器U2 件處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器U2 的第5 引腳為高電壓，MAX485 的第4 引腳輸入高電壓。由于MAX485 為異步半雙工轉(zhuǎn)換芯片，在某個(gè)時(shí)刻芯片只能是發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)，這通過芯片的第2 和第3 引腳的電壓來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)單片機(jī)P2^2輸出高電壓時(shí)，光電耦合器件U3 處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合U3 的第4 引腳為低電壓，MAX485 的第2 引腳為低電壓，MAX485 芯片處于讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)，相反，當(dāng)單片機(jī)P2^2 輸出低電壓時(shí)，光電耦合器件U3 處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電耦合U3 的第4 引腳為高電壓，MAX485 的第2 引腳為高電壓，MAX485 芯片處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)。

圖2 傳感器電路設(shè)計(jì)原理圖

2.2 繼電器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

圖3 為繼電器驅(qū)動電路原理圖，由一片電流驅(qū)動芯片ULN2003 和各個(gè)繼電器組成。ULN2003 是一片耐高壓大電流驅(qū)動芯片，其內(nèi)部集成7 個(gè)NPN 達(dá)林頓三極管，灌電流可達(dá)500 mA，是理想的繼電器驅(qū)動芯片。ULN2003 的1-4 引腳分別接單片機(jī)的P2^0-P2^3 引腳，ULN2003 的13-16 引腳分別接繼電器K5-K2 的第2 引腳，當(dāng)單片機(jī)P2^0-P2^3 輸出高電壓時(shí)，ULN2003 的13-16 引腳輸出低電壓，繼電器K5-K2 的第2 引腳都為低電壓，繼電器線圈有電流，繼電器常開開關(guān)閉合，繼電器所控制的設(shè)備啟動，相反，當(dāng)單片機(jī)P2^0-P2^3 輸出低電壓時(shí)，ULN2003 的13-16 引腳輸出高電壓，繼電器K5-K2的第2 引腳都為高電壓，繼電器線圈沒有電流，繼電器常開開關(guān)斷開，繼電器所控制的設(shè)備停止。

圖3 繼電器驅(qū)動電路原理圖

2.3 太陽能充電管理電路設(shè)計(jì)[9]

圖4 為太陽能充電管理模塊電路。為了提高可靠性，本電路采用鋰電池充電芯片CN3722。CN3722 充電效率高，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部集成了太陽能電池最大功率跟蹤功能（MPPT）電路。15 引腳是CN3722 電源輸入端，輸入電壓范圍7.5～28 V，M1 為P 溝道MOS 場效應(yīng)晶體管，其棚極受到CN3722 的內(nèi)部驅(qū)動電路驅(qū)動。M1，D1，D1和L構(gòu)成降壓型DC/DC 開關(guān)電路，D2為續(xù)流二極管，L 是大功率電感儲能元件，當(dāng)開關(guān)管M1 導(dǎo)通時(shí)，輸入電源（太陽能電池板）電流流經(jīng)M1、D1、L、RC和電池，回到輸入電源的負(fù)極，形成一個(gè)閉合回路，大功率電感L 把電能轉(zhuǎn)換成磁能，儲存在電感L 中，當(dāng)開關(guān)管M1 截止時(shí)，D1截止、D2導(dǎo)通，大功率電感器L 處于放電狀態(tài)，把磁能轉(zhuǎn)換成電能，繼續(xù)向電池充電。

圖4 太陽能充電管理模塊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)主控程序設(shè)計(jì)

圖5 是單片機(jī)主控程序算法流程圖，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上電，單片機(jī)運(yùn)行初始化程序，對單片機(jī)內(nèi)部或者外部設(shè)備進(jìn)行初始化操作，再從單片機(jī)的FLASH 中讀取預(yù)存的環(huán)境控制參數(shù)值，然后，依次采集溫度、濕度、光照和CO<下標(biāo)> 2下標(biāo)傳感器中的值，把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD 顯示屏中，同時(shí)把數(shù)據(jù)發(fā)送到CC2050 通信模塊中，最后單片機(jī)把當(dāng)前數(shù)據(jù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果驅(qū)動相應(yīng)的繼電器，控制相關(guān)的電機(jī)工作。

3.2 無線通信程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方面，除了設(shè)計(jì)單片機(jī)程序之外，還要設(shè)計(jì)無線通信程序設(shè)計(jì)，解決好無線采集節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)集中器數(shù)據(jù)通信問題。本無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)利用CC2530 芯片成功實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，為了提高程序的設(shè)計(jì)效率，可以在CC2530 芯片移植TI 公司的Zigbee 協(xié)議（Z-Stack）。

圖6 為CC2530 軟件設(shè)計(jì)流程圖，當(dāng)單片機(jī)CC2530 上電時(shí)，CC2530 執(zhí)行初始化程序，對設(shè)備進(jìn)行初始化操作。CC2530 完成初始化操作后，就判斷在周圍是否存在合法的無線傳感器信號，如果周圍存在網(wǎng)絡(luò)，就向無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器發(fā)送申請加入網(wǎng)絡(luò)請求，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到加入網(wǎng)絡(luò)請求時(shí)，向申請節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址，并向節(jié)點(diǎn)發(fā)送允許加入網(wǎng)絡(luò)命令。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)一旦加入網(wǎng)絡(luò)成功，采集節(jié)點(diǎn)周期性設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送事件，操作系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。

圖5 單片機(jī)主控程序算法流程圖

圖6 CC2530 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的可靠性和穩(wěn)定性，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。溫濕度、CO2傳感器和光照傳感器選用普銳森社工業(yè)級別傳感器，這些傳感器采用工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)ModBus通信協(xié)議。在測試時(shí)，采集節(jié)點(diǎn)每隔1 min 采集1 次數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)用LCD 顯示屏顯示出來，圖7 為顯示結(jié)果圖。從測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)控制界面

5 結(jié)束語

食用菌作為一種綠色食品日益受到各國人民的重視，越來越受到人們的喜愛。然而目前我國的食用菌生產(chǎn)技術(shù)比較落后，產(chǎn)量不高。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)升級落后食用菌手工生產(chǎn)方式，是提高食用菌效益的重要途徑。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款基于太陽能物聯(lián)網(wǎng)的食用菌無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了食用菌生長環(huán)境參數(shù)的采集和自動控制，有利于降低勞力成本，使傳統(tǒng)的食用菌栽培提質(zhì)增效。