銀耳菇房溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭俊錦，陳鐘榮

（南京信息工程大學(xué) 中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京 210044）

銀耳又稱白木耳，是優(yōu)質(zhì)的藥食兼可的菌類[1]。我國的銀耳產(chǎn)區(qū)主要集中在四川通江和福建等地[2]，其中以有著“銀耳之鄉(xiāng)”美譽(yù)的福建省古田縣為多，銀耳產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的95%以上，世界銀耳總產(chǎn)的80%以上[3]。然而，該縣的銀耳生產(chǎn)方式主要以規(guī)模較小的家庭作坊式栽培為主，菇房環(huán)境的監(jiān)控手段較為落后。由于銀耳菇房的濕度較大（尤其是出耳后，相對(duì)濕度常高達(dá)100%），因此菇農(nóng)通常不觀測菇房的相對(duì)濕度，而只對(duì)菇房溫度進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)前大部分菇農(nóng)采用玻璃溫度表來觀測菇房溫度，這不僅使得監(jiān)控效率低下，而且無法自動(dòng)記錄溫度數(shù)據(jù)。

為此，本文為提高菇房溫度監(jiān)控的效率，應(yīng)用了傳感器、GSM/GPRS、微處理器和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，采用了有限狀態(tài)機(jī)思想編程，實(shí)現(xiàn)了20路以上的溫度傳感器的長距離讀取。并通過GSM/GPRS技術(shù)，使得用戶可以通過語音通話、短信和Web網(wǎng)頁等多種方式來獲取菇房信息（如溫度數(shù)據(jù)、日光燈等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)）和遠(yuǎn)程控制菇房設(shè)備。同時(shí)，在數(shù)據(jù)中心建立了菇房信息數(shù)據(jù)庫，可自動(dòng)記錄栽培全程的菇房信息（如溫度數(shù)據(jù)、各設(shè)備開關(guān)狀態(tài)改變的時(shí)間點(diǎn)等），為研究菇房溫度、光照時(shí)間、通風(fēng)時(shí)間等環(huán)境要素與銀耳的產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)系提供了數(shù)據(jù)樣本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要構(gòu)成為微處理器、溫度傳感器、按鍵和顯示模塊、繼電器模塊、聲光報(bào)警模塊、GSM/GPRS模塊，數(shù)據(jù)中心和菇房電器設(shè)備等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematic drawing of the system general structure

用戶除了能通過按鍵顯示模塊和聲光報(bào)警模塊與系統(tǒng)現(xiàn)場交互，還可通過GSM/GPRS技術(shù)與系統(tǒng)遠(yuǎn)程交互。利用GSM網(wǎng)絡(luò)，用戶可以通過電話和短信向系統(tǒng)發(fā)出查詢或設(shè)置指令 （如查詢溫度，控制菇房電器開關(guān)和設(shè)置溫度閾值等系統(tǒng)參數(shù)），系統(tǒng)以短信形式發(fā)送當(dāng)前菇房信息和向用戶撥打電話的方式報(bào)警；利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)定時(shí)將菇房電器的開關(guān)狀態(tài)以及溫度數(shù)據(jù)等信息發(fā)往數(shù)據(jù)中心，用戶可通過瀏覽Web網(wǎng)頁來獲取相關(guān)信息和控制菇房電器設(shè)備。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心將記錄栽培全程的菇房信息，以便菇農(nóng)和研究人員進(jìn)行后期分析。

由于大多菇房的加溫措施采用設(shè)置加溫?zé)煹溃ㄍㄟ^燒火來加溫），降溫措施采用開啟門窗和鼓風(fēng)機(jī)（栽培季節(jié)為春、秋、冬季，室外溫度低于室內(nèi)溫度）。因此，本系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)單向的溫度調(diào)節(jié) （降溫）。當(dāng)菇房溫度太低并達(dá)到一定的時(shí)間，系統(tǒng)通過繼電器模塊來關(guān)閉門窗并發(fā)出報(bào)警信息；當(dāng)菇房溫度太高并達(dá)到一定的時(shí)間，則開啟門窗和鼓風(fēng)機(jī)并發(fā)出報(bào)警信息；當(dāng)菇房設(shè)備切換為人工模式時(shí)，完全由菇農(nóng)控制菇房電器設(shè)備的開關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)采用12 V外部電源，給聲光報(bào)警模塊和繼電器模塊供電，12 V電壓經(jīng)LM2596-5.0降壓形成5 V電壓，給單片機(jī)、溫度傳感器供電，5 V電壓經(jīng)過MIC29302BU降壓，形成4 V的電壓，給GSM/GPRS模塊供電。

2.2 微處理器

STC15F2K60S2是宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期的單片機(jī)，內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘（±0.3%），ISP編程時(shí)5～35 MHz可設(shè)置，可省掉外部晶振和外部復(fù)位電路。其片內(nèi)具有60 KB的Flash程序存儲(chǔ)器、2 KB的SRAM和1 KB的E2PROM。其所有I/O口均可由軟件配置成4種工作模式（準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽輸出/強(qiáng)上拉、僅為輸入（高阻）、開漏輸出）之一。

2.3 溫度傳感器

DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器，測量范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為±0.5℃。每個(gè)DS18B20都有一個(gè)唯一的64位ROM序列號(hào)，應(yīng)用時(shí)，通過查詢此序列號(hào)可識(shí)別一根總線上掛接的多個(gè)DS18B20，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象的準(zhǔn)確控制。

利用DS18B20進(jìn)行多點(diǎn)測溫的方法有2種[4]：

（1）單端口單總線驅(qū)動(dòng)法。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省單片機(jī)I/O口、連接簡單、節(jié)約導(dǎo)線。缺點(diǎn)：電氣特性相互影響、實(shí)時(shí)性變差（逐個(gè)操作，并且要先匹配序列號(hào)）。

（2）多端口并行驅(qū)動(dòng)法，即并行處理均獨(dú)立分配有一個(gè)I/O口的DS18B20。優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好。缺點(diǎn)：單片機(jī)I/O口消耗較大。

每個(gè)菇房中間布設(shè)一個(gè)具有不銹鋼防水封裝的DS18B20。由于菇房（一般寬5 m，長14 m）并行排列，若采用單端口單總線驅(qū)動(dòng)法，每增加一個(gè)傳感器只需加長12 m，可以有效減少線纜成本。菇房分布以及DS18B20的連接方式如圖2所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹，當(dāng)單總線上掛接超過8個(gè)DS18B20時(shí)，需要增加單片機(jī)總線驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)采用普通信號(hào)線纜傳輸長度大于50 m時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤；當(dāng)采用屏蔽雙絞線電纜時(shí)，通信距離可達(dá)500 m[6]。

圖2 傳感器分布示意圖Fig.2 Schematic diagram of the sensor distribution

本文在使用普通線纜（RVV，3*0.3的護(hù)套線）和不加總線驅(qū)動(dòng)器的情況下，通過改變上拉電阻的阻值和單片機(jī)IO口（該IO口連接DS18B20的數(shù)據(jù)端口）的工作模式，在保證通信正常的情況下，測試所能掛接的傳感器數(shù)目和通信距離，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示（表中，準(zhǔn)雙向表示使用單片機(jī)I/O口的準(zhǔn)雙向口模式；高阻推挽表示當(dāng)該IO口為輸入時(shí)配置為高阻輸入，當(dāng)該IO口為輸出時(shí)配置為推挽輸出/強(qiáng)上拉的工作模式）。因此，可通過以下2種方式來增強(qiáng)單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，以擴(kuò)展傳感器數(shù)目以及線纜長度：①將單片機(jī)I/O口配置為高阻推挽模式（STC15系列單片機(jī)的I/O口在推挽輸出/強(qiáng)上拉模式下，驅(qū)動(dòng)能力可達(dá)20 mA）；②適當(dāng)減少上拉電阻的阻值。

表1 溫度傳感器擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experimental results of temperature sensor expansion

2.4 GSM/GPRS模塊

SIM900A是芯訊通（SIMCom）公司的無線通信GSM/GPRS模塊。它支持GPRS multi-slot class10/class 8（可選）和 GPRS 編碼格式 CS-1、CS-2、CS-3以及CS-4。它內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT命令讓用戶能夠容易地使用TCP/IP協(xié)議，在數(shù)據(jù)傳輸方面應(yīng)用廣泛[6]。同時(shí)，模塊還可通過升級(jí)固件來增加TTS語音合成功能，使得本系統(tǒng)具備本地語音播報(bào)的功能。

2.5 聲光報(bào)警模塊

本系統(tǒng)采用的報(bào)警器型號(hào)為JS-103（12 V，0.3 A）。單片機(jī)IO可以通過N溝道場效應(yīng)管（AO3402）來直接驅(qū)動(dòng)，電路圖如圖3所示。

圖3 報(bào)警器驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Drive circuit of the alarm

2.6 繼電器模塊

由于菇房使用的日光燈、鼓風(fēng)機(jī)和單鏈條開窗器的數(shù)目較多，并且采用220 V供電，因此需要采用較多的繼電器。本文使用可級(jí)連的74HC595來擴(kuò)展單片機(jī)IO口，然后經(jīng)過ULN2003A放大后驅(qū)動(dòng)繼電器，來控制各個(gè)房間的日光燈、鼓風(fēng)機(jī)和電動(dòng)單鏈條開窗器模塊等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)中心的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和硬件部分的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心是基于Linux平臺(tái)、使用Node.JS開發(fā)的云端系統(tǒng)。通過TCP/IP協(xié)議使服務(wù)器與下位機(jī)建立和保持Socket長連接，來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換[7]。云端通過Web網(wǎng)頁向用戶提供了友好的人機(jī)交互界面。云端還將下位機(jī)定時(shí)發(fā)來的菇房溫度和窗戶開關(guān)等信息保存于數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫使用了一款NoSQL數(shù)據(jù)庫—MongoDB[8]，使得數(shù)據(jù)中心可以輕松地在云端保存并處理下位機(jī)高并發(fā)上傳的菇房信息數(shù)據(jù)。用戶可以通過Web網(wǎng)頁查看和下載菇房信息，如實(shí)時(shí)溫度和歷史溫度記錄等[9]，并可以在Web網(wǎng)頁直接對(duì)日光燈、鼓風(fēng)機(jī)及開窗器模塊等進(jìn)行控制。另外，云端還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，針對(duì)銀耳的生長階段給出相應(yīng)的菇房環(huán)境控制的建議。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想編程，以下主要介紹單片機(jī)與SIM900A的通訊和程序流程圖。

3.2.1 單片機(jī)與SIM900A的通訊

單片機(jī)通過串口使用AT命令與SIM900A通訊。SIM900A提供的AT命令包含符合GSM07.05、GSM07.07、和 ITU-T Recommendation V.25ter的指令，以及SIMCom自己開發(fā)的指令[10]。

由于SIM900A對(duì)某些AT命令的回復(fù)較慢。如果采用發(fā)出AT命令后，采用延時(shí)等待回復(fù)的方法，將犧牲系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由于發(fā)送AT命令的函數(shù)可以劃分為3個(gè)狀態(tài)。因此，此處采用有限狀態(tài)機(jī)思想[11]取代死延時(shí)等待的方法進(jìn)行編程，該函數(shù)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示，箭頭上方內(nèi)容為狀態(tài)切換條件，狀態(tài)2在“驗(yàn)證回復(fù)”后，就切回到狀態(tài)0，以便執(zhí)行下一次AT命令。

圖4 狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 State machine transition diagram

提高實(shí)時(shí)性的原理如下：當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用該函數(shù)且該函數(shù)沒執(zhí)行完畢時(shí)，該函數(shù)就會(huì)處于在主函數(shù)的while循環(huán)內(nèi)。程序每執(zhí)行到這個(gè)函數(shù)時(shí)，只會(huì)執(zhí)行它的一個(gè)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的代碼 （先判斷處于哪個(gè)狀態(tài)，再執(zhí)行相應(yīng)的代碼）。例如當(dāng)該函數(shù)處于等待回復(fù)狀態(tài)時(shí)，進(jìn)入該函數(shù)后只判斷是否“出現(xiàn)回復(fù)”，然后就跳出該函數(shù)，執(zhí)行其他函數(shù)。直到下次再進(jìn)入該函數(shù)，再執(zhí)行判斷。這相當(dāng)于把執(zhí)行其他函數(shù)所花費(fèi)的時(shí)間當(dāng)作延時(shí)，從而提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

3.2.2 程序流程圖

本文主要介紹以下3個(gè)模塊的軟件設(shè)計(jì)：主程序模塊，包括初始化和調(diào)用各功能子程序，流程圖如圖5所示；串口服務(wù)子程序，負(fù)責(zé)處理SIM900A發(fā)來的內(nèi)容，根據(jù)發(fā)來的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的處理，流程圖如圖6所示；SIM900A通訊服務(wù)子程序，主要包括撥打電話，發(fā)送短信和發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)，由于它們的流程相似，因此該子程序的流程圖只畫出發(fā)送短信部分 （電話撥打失敗和GPRS發(fā)送失敗的故障代碼分別為 “E2”、“E3”），其中m為發(fā)送失敗的次數(shù)，當(dāng)發(fā)送失敗次數(shù)達(dá)10次，則通過重啟SIM900A模塊來嘗試恢復(fù)信號(hào)，流程圖如圖7所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

圖6 串口服務(wù)子程序流程圖Fig.6 Flow chart of uart service routine

圖7 短信發(fā)送流程圖Fig.7 Flow chart of sending short message

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)已在福建省古田縣的銀耳種植戶中應(yīng)用，工作穩(wěn)定可靠，效果良好。圖8為數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)頁界面，圖中選擇顯示菇房1的實(shí)時(shí)情況，在圖中可以方便地查看菇房的溫度信息以及日光燈等設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。網(wǎng)頁的右下方顯示了當(dāng)前菇房的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)曲線，并且能夠選擇和放大任意時(shí)間段的溫度曲線，以查看相關(guān)細(xì)節(jié)。

圖8 數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)頁界面Fig.8 Web page of data center

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的溫度記錄，圖9繪制了某批次銀耳栽培全程的溫度走勢(shì)圖 （由于菇房一般在野外，通訊失敗和停電等原因造成了部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失）。由于這3個(gè)菇房的銀耳處于同一批次，因此溫度走勢(shì)大致相同。在栽培的中后期，菇房溫度發(fā)生較大幅度的震蕩，這是因?yàn)閺你y耳出耳（約第17天）開始，為保持菇房空氣新鮮，防止銀耳長期處于高溫高濕的環(huán)境下發(fā)生爛耳或病菌滋生等病害，而定時(shí)給菇房進(jìn)行通風(fēng)操作。

圖9 銀耳菇房溫度走勢(shì)圖Fig.9 Temperature profile of tremella fuciformis plantation

菇房信息的遠(yuǎn)程獲取和菇房電器設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)菇房環(huán)境異常，并且能減少菇農(nóng)進(jìn)出菇房的頻率，從而減少雜菌感染率和減輕工作量。同時(shí)，本系統(tǒng)還記錄有日光燈、窗戶以及鼓風(fēng)機(jī)開關(guān)狀態(tài)切換的時(shí)間點(diǎn)，菇農(nóng)和研究人員可據(jù)此計(jì)算出各生長階段的累計(jì)光照時(shí)間、累計(jì)開窗時(shí)間和累計(jì)鼓風(fēng)機(jī)工作時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，來進(jìn)一步研究總結(jié)得出最佳的菇房環(huán)境控制方法。

5 結(jié)語

本文針對(duì)銀耳栽培的溫度監(jiān)控現(xiàn)狀和菇農(nóng)的實(shí)際需求，采用有限狀態(tài)機(jī)思想編程，改善了單片機(jī)在不使用操作系統(tǒng)時(shí)控制GSM/GPRS模塊的實(shí)時(shí)性，并且能夠簡潔有效地實(shí)現(xiàn)20路以上的溫度傳感器的長距離讀取，并且通過GSM/GPRS實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)等菇房信息的多渠道獲取和菇房環(huán)境的遠(yuǎn)程控制，滿足了菇房溫度監(jiān)控的需求，極大地方便了菇農(nóng)的栽培管理工作。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的菇房信息數(shù)據(jù)庫為研究人員提供了大量的數(shù)據(jù)樣本。本系統(tǒng)廉價(jià)可靠，具有一定的推廣意義。

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