食用菌生長庫遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研制開發(fā)

於 鋒 孫龍霞 周學劍 何 毅 李 健

0 引言

食用菌富含蛋白質(zhì)、維生素和多種人體所必需的氨基酸，營養(yǎng)豐富，味道鮮美可口；同時還具有很高的藥用價值，受到消費者的青睞。近年來，江蘇省食用菌生產(chǎn)迅猛發(fā)展，而相對于食用菌生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模的擴大和對安全生產(chǎn)的需求，食用菌生長環(huán)境監(jiān)測技術顯得比較落后，仍停留在基本的溫濕度監(jiān)測上。因此，研究開發(fā)可實時監(jiān)測生長庫體內(nèi)的生長參數(shù)，使其具備遠程圖像信息和數(shù)據(jù)信息的監(jiān)控功能，并能記錄、處理歷史數(shù)據(jù)的食用菌工廠化生產(chǎn)智能控制系統(tǒng)，具有一定的現(xiàn)實意義。

1 整體方案設計

如圖1所示，整個系統(tǒng)由食用菌生長環(huán)境實時監(jiān)測器、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸模塊和網(wǎng)頁監(jiān)控平臺組成，可實現(xiàn)生長庫體內(nèi)部溫度、濕度、CO2含量、光強等多種生長環(huán)境因素的準確采集顯示，采集的數(shù)據(jù)和圖像實時發(fā)送至數(shù)據(jù)傳輸模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊及時更新互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)庫，網(wǎng)頁監(jiān)控平臺從互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)，實時遠程顯示食用菌生長庫內(nèi)環(huán)境參數(shù)，通過集成的專家決策系統(tǒng)遠程監(jiān)控生長環(huán)境，存儲記錄關鍵生長點歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路的設計及遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

核心處理器選用STM32F103VE芯片（見圖 2），此芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器，80個通用增強I/O端口，片上包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、1個USB和1個CAN。JTAG調(diào)試接口可滿足在線調(diào)試的需求。

圖 2 STM32F103VE芯片

傳感器單元包含環(huán)境監(jiān)測所需的各個傳感器模塊，包括溫濕度模塊、CO2模塊、光照模塊。溫濕度模塊采用瑞士SHT10溫濕度模塊，它是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出，傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接，具有超快響應、抗干擾能力強、極高的性價比等優(yōu)點，測量的濕度精度±4.5%，溫度精度±0.5℃，能夠滿足食用菌生長的要求。CO2模塊選用MH-Z14 NDIR 紅外氣體小模組，它利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，壽命長。內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償；同時，可進行數(shù)字輸出與模擬電壓輸出，方便使用。MH-Z14測量范圍為0～10 000 ppm（量程可選擇），精確度達±50 ppm±讀數(shù)5%，響應時間小于30s，預熱時間為3 min，使用壽命在5年以上。光照模塊選用BH1750FVI，它是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路，支持I2C接口，輸入光的范圍廣，受紅外線影響很小，誤差變動范圍小。選用的傳感器單元如圖 3所示。

圖 3 各傳感器模塊

遠程數(shù)據(jù)傳輸選用ENC28J60獨立以太網(wǎng)控制芯片，它可作為任何配備有SPI的控制器的以太網(wǎng)接口。ENC28J60符合IEEE802.3的全部規(guī)范，采用了一系列包過濾機制對傳入數(shù)據(jù)包進行限制。它與主控制器的通信通過兩個終端引腳和SPI實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸速率高達10 MB/s。兩個專用的引腳用于連接LED，進行網(wǎng)絡活動狀態(tài)指示。圖 4為遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖。

3 底層軟件設計開發(fā)

底層電路主要實現(xiàn)現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的采集、顯示、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸和控制設備等功能，在各模塊初始化后對食用菌生長庫內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行采集，利用芯片上RTC功能讀取時間，將環(huán)境參數(shù)及時間顯示在現(xiàn)場7寸液晶屏上，然后將這些數(shù)據(jù)上傳至指定的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫，同時查詢是否接收到遠程操作指令。完成了一系列數(shù)據(jù)操作后，判斷數(shù)據(jù)是否在食用菌生長工藝范圍內(nèi)，如需要調(diào)節(jié)環(huán)境則控制相應的設備調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。

4 遠程客戶端設計

為實現(xiàn)直觀的遠程監(jiān)控以及良好的平臺適應性，食用菌生長庫遠程監(jiān)控平臺采用網(wǎng)頁形式，網(wǎng)頁內(nèi)容包括數(shù)據(jù)實時采集、顯示，食用菌庫內(nèi)生長環(huán)境的參數(shù)管理。網(wǎng)絡終端可實時瀏覽庫內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，并為用戶提供多種數(shù)據(jù)查尋方式，生成報表，進行一些日常管理，以便用戶能全方位地了解食用菌生長的狀態(tài)，為下一步工作提供可靠的數(shù)字依據(jù)。界面大致如圖 5所示。

圖 4 遠程數(shù)據(jù)傳輸模塊電路圖

圖 5 遠程網(wǎng)頁客戶端

5 結(jié)語

該系統(tǒng)樣機已開發(fā)完成，并在江蘇省農(nóng)機具開發(fā)應用中心創(chuàng)建的“果蔬冷藏保鮮與設施食用菌生產(chǎn)技術研發(fā)基地”進行試驗。試驗表明樣機基本達到預期目標，實際環(huán)境數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測延時1min左右，不會對生產(chǎn)造成影響。數(shù)據(jù)傳輸受到的干擾較小，出現(xiàn)個別丟包現(xiàn)象，將在下一步工作中進行改進。此外，系統(tǒng)的運用提高了生產(chǎn)企業(yè)的管理效率，降低了生產(chǎn)風險，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

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