ZigBee技術(shù)在木耳制菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

高百惠（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

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ZigBee技術(shù)在木耳制菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

高百惠
（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

摘 要：本設(shè)計結(jié)合ZigBee無線傳輸技術(shù)、利用自動控制原理、單片機控制理論，以及MCGS組態(tài)軟件，完成了一套木耳制菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以遠程監(jiān)測制菌內(nèi)環(huán)境參數(shù)，實時采集并傳輸，及時將環(huán)境參數(shù)調(diào)控至適宜菌種生長的條件。經(jīng)試驗表明，本系統(tǒng)性能穩(wěn)定，方便移植，可操作性強，在農(nóng)業(yè)信息化、智能化、自動化發(fā)展中起著重要作用。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠程監(jiān)控；木耳

0. 引言

在過去的40多年中，我國現(xiàn)代黑木耳產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，使得黑木耳已成為繼平菇、香菇之后的第三大食用菌品種。因此，將木耳菌種栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)搭建成具有高質(zhì)量、高效率、低成本的特點，推動產(chǎn)業(yè)繼續(xù)發(fā)展，提升黑木耳的產(chǎn)量與質(zhì)量，使生產(chǎn)自動化，方便從業(yè)人員的生產(chǎn)與管理成為了勢在必行的任務(wù)。

1. 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)由遠程監(jiān)控平臺、數(shù)據(jù)采集平臺以及現(xiàn)場監(jiān)控平臺3部分組成。為了實時采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)信息，需要將溫濕度傳感器與二氧化碳傳感器分別與終端ZigBee節(jié)點相連，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器中，MCGS監(jiān)控觸摸屏來接收協(xié)調(diào)器匯總傳送的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)做出判斷，決定是否改變自動噴淋系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及制菌室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)。然后將控制指令返回給協(xié)調(diào)器來控制相應(yīng)繼電器的開關(guān)狀態(tài)，使得制菌室內(nèi)的環(huán)境狀況能夠?qū)崿F(xiàn)智能調(diào)控以及食用菌制菌過程環(huán)境監(jiān)控的自動化。并且可以通過MCGS觸摸屏來實現(xiàn)現(xiàn)場情況的實時查看，各設(shè)備工作狀態(tài)的了解，各參數(shù)信息的掌握?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)亦可通過無線模塊傳送至遠端主控制機上，實現(xiàn)系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。系統(tǒng)整體模擬圖如圖1所示。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 傳感器模塊選型

在制菌生產(chǎn)過程中，為了使菌種的質(zhì)量和產(chǎn)量得到保證，需要監(jiān)測對菌種生長起著重要影響的參數(shù)，包括二氧化碳、空氣溫濕度濃度，因此在本實驗中，為了采集數(shù)據(jù)信息，終端節(jié)點要攜帶二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器。

2.2.1 溫濕度傳感器

SHT15具體工作原理為：溫度、濕度的數(shù)據(jù)信息分別通過溫度傳感器與濕度傳感器讀取到，而后會將相對溫度、濕度的信號相應(yīng)發(fā)出，通過放大器將信號放大，放大的信號被A/D轉(zhuǎn)換器進行一系列處理，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、糾錯與校準(zhǔn)，二線串行數(shù)字接口再把相對溫度與相對濕度的具體數(shù)據(jù)傳送給微處理器，最后通過微處理器完成非線性補償和溫度補償。

2.2.2 二氧化碳傳感器

本系統(tǒng)選用模塊型號為S_100的二氧化碳傳感器。該二氧化碳傳感器已經(jīng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，采用NDIR技術(shù)，無論是質(zhì)量還是體積都很小。該模塊含有多種輸出端口，例如I2C、模擬量等，這使得模塊能夠滿足多種場所的安裝條件，更方便傳輸與讀取數(shù)據(jù)；同時，模塊還附帶容易拔取與安插的插針，為與其他設(shè)備連接提供條件。

2.3 繼電器模塊

繼電器作為一種電控器件常被用于自動控制電路當(dāng)中，可實現(xiàn)自動控制電路中自動調(diào)節(jié)、電路轉(zhuǎn)換的功能。它具有電路隔離能力的自動化開關(guān)元件，可以根據(jù)控制電路的小電壓、電流等物理量有效地控制被控制電路的大電壓、電流等的通斷。繼電器的種類很多，大體上可分為固體型、時間型、極化型、舌簧型和電磁型等。它們都包括執(zhí)行機構(gòu)（輸出電路）、感應(yīng)機構(gòu)（接收輸入信號）和比較機構(gòu)（提供比較量）3個部分。

圖2　CC2530外接電路圖

圖3　監(jiān)控屏外觀

圖4　協(xié)調(diào)器建網(wǎng)流程圖

2.4 無線處理模塊

在本設(shè)計中，系統(tǒng)的驅(qū)動控制功能是利用芯片CC2530完成的，其外接電路圖如圖2所示。該芯片應(yīng)用方便簡單，僅僅通過少數(shù)外接電路就能夠滿足不用功能的要求，通過RS232完成與PC機間的通信。CC2530內(nèi)部集成了2個USART、6個定時器、21個通用GPIO、DMA控制器、12位ADC、AES處理器、USB2.0全速控制器等等，如圖2所示。

2.5 無線數(shù)傳模塊

本系統(tǒng)選用型號為KYL-1020L的無線數(shù)傳模塊實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。該模塊由深圳科易連有限公司生產(chǎn)，體積小巧，功耗較低，雙向傳輸，適用于遠距離無線傳輸，具有超高穩(wěn)定性與可靠性，接口方式為RS232，為監(jiān)控數(shù)據(jù)信號提供了質(zhì)量保證。

2.6 監(jiān)控屏選型

MCGSTpc嵌入式一體化觸摸屏TPC7062K作為本系統(tǒng)的觸摸屏，由北京昆侖通態(tài)公司研制，操作方便，性能穩(wěn)定，功耗較低，CPU亦為嵌入式。作為一種自帶微處理器的智能終端，TPC7062K具備計算機功能，運用Wince.NET操作系統(tǒng)，結(jié)合MCGS應(yīng)用軟件。監(jiān)控屏外觀如圖3所示。

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)開發(fā)語言nesC

nesC語言是針對有限資源的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而研發(fā)的編程語言，將令組件化的設(shè)計思路和驅(qū)動事件的執(zhí)行模式完美結(jié)合，開發(fā)人員的工作效率得到有效提高。

3.2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)第一設(shè)備，在組建網(wǎng)絡(luò)過程中，要啟動整個網(wǎng)絡(luò)。上電后，首先要對協(xié)議棧和硬件進行初始化，對能量進行檢測，接下來將BeaCon信標(biāo)發(fā)出，若有BeaCon響應(yīng)，則表明在同一信道中還存在其他協(xié)調(diào)器。隨后它便會自動切換到下一個信道，然后重復(fù)上一過程，直至不再出現(xiàn)有關(guān)BeaCon的響應(yīng)為止。搜索到空信道后，選擇某個隨機的個人網(wǎng)絡(luò)即可建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器建網(wǎng)流程如圖4所示。

3.3 傳感器節(jié)點程序設(shè)計

SHT15是數(shù)字式傳感器，通過I2C總線直接將溫濕度的值以數(shù)字量的形式輸出。通過設(shè)置數(shù)字程序以及結(jié)合輸出的溫度特性曲線，可利用公式（1）將數(shù)字輸出量轉(zhuǎn)換成溫度值，其中SOT為程序內(nèi)預(yù)先設(shè)定的傳感器輸出的測量值，d1，d2是溫度補償系數(shù)，其值與傳感器的分辨率高低以及電源電壓大小相關(guān)。

濕度值則能夠被SHT15直接以數(shù)字量的形式輸出，但其輸出特性呈非線性，為了補償呈現(xiàn)出的非線性，可按如下公式對濕度值進行修正，其中SORH為傳感器測得的濕度值，C1、C2、C3為濕度補償系數(shù)：

二氧化碳傳感器控制命令寄存器的定義，控制命令寄存器由7Bit的設(shè)備地址與1Bit的讀寫控制位構(gòu)成。二氧化碳傳感器地址是0X31，讀取數(shù)據(jù)時發(fā)送0X63，輸入數(shù)據(jù)時發(fā)送0X62。

4. 系統(tǒng)設(shè)備運行測試和分析

在制菌過程中，通過通風(fēng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)來控制栽培室內(nèi)的二氧化碳濃度、空氣溫度等環(huán)境參數(shù)。室內(nèi)二氧化碳濃度變化與通風(fēng)系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)見表1，溫度變化與空調(diào)系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)關(guān)系見表1。

表1　通風(fēng)系統(tǒng)運行測試

通過分析表2中數(shù)據(jù)，制菌室室內(nèi)二氧化碳濃度能夠被通風(fēng)系統(tǒng)正確調(diào)控，并控制在參考范圍內(nèi)，滿足菌種生長對二氧化碳的要求，保持室內(nèi)空氣流通。

表2　空調(diào)系統(tǒng)運行測試

通過分析表2中數(shù)據(jù)，制菌室內(nèi)溫度的變化能夠被空調(diào)系統(tǒng)正確調(diào)控，滿足黑木耳菌種生長對于室溫的要求。

結(jié)語

本設(shè)計結(jié)合黑木耳菌種在實際生產(chǎn)中的需求，結(jié)合ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、單片機控制等技術(shù)，搭建了一套食用菌栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)χ凭^程中的影響菌種生長的環(huán)境參數(shù)信息、各設(shè)備的運行狀態(tài)實時監(jiān)控。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)可以達到對制菌室內(nèi)的環(huán)境實時監(jiān)控的目的，滿足食用菌栽培環(huán)境需求，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了自動化的技術(shù)支持。

參考文獻

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中圖分類號：TP277

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