基于物聯(lián)網(wǎng)的食用菌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊秀增 宋俊慷 韋樹貢 李海生

摘 ?要：針對人工栽培食用菌技術(shù)落后現(xiàn)狀，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)設(shè)計(jì)一款食用菌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)集中器和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心三大部分組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由CC2530單片機(jī)、藍(lán)牙通信模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和工業(yè)級的傳感器等電路組成;數(shù)據(jù)集中器由CC2530單片機(jī)、ARM控制器、LCD顯示器和GPRS通信模塊組成。通過移植TI公司的Zstack2007協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)把采集數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器通過GPRS通信模塊發(fā)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。測試結(jié)果表明，本系統(tǒng)工作穩(wěn)定、滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);CC2530;遠(yuǎn)程監(jiān)控;食用菌

中圖分類號：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0005-04

Abstract： In view of the backward technology of artificial cultivation of edible fungi， a remote monitoring system of edible fungi is designed by using Internet of things technology and modern control technology. The system consists of three parts： data acquisition node， data concentrator and remote data center. The data acquisition node is composed of CC2530 single chip microcomputer， Bluetooth communication module， data display module and industrial sensor; the data concentrator is composed of CC2530 single chip microcomputer， ARM controller， LCD display and GPRS communication module. The network of each node is realized by porting the Zstack2007 protocol stack of TI Company. The data acquisition node sends the collected data to the data concentrator wirelessly， and the data concentrator sends it to the remote data center through the GPRS communication module. The test results show that the system works stably and meets the design requirements.

Keywords： Internet of things; CC2530; remote monitoring; edible fungi

引言

食用菌不僅菌營養(yǎng)豐富，還含有具有抗癌作用的多糖生物活性物質(zhì)，是人們理想綠色保健食品[1-3]，聯(lián)合國糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織曾經(jīng)提出把“一葷一素一菌”作為人類最佳的飲食結(jié)構(gòu)。我國雖然是世界上食用菌人工栽培技術(shù)最早的國家，但是食用菌的生產(chǎn)產(chǎn)量，無法滿足人們對食用菌的需求。主要原因是因?yàn)槲覈耘嗍秤镁夹g(shù)還比較落后[4-5]，生產(chǎn)成本高，因此，利用現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)和管理方法，改善傳統(tǒng)食用菌栽培模式，增高食用菌生產(chǎn)效益迫在眉睫。

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)一套食用菌生長監(jiān)控系統(tǒng)[9-10]，實(shí)現(xiàn)食用菌生長環(huán)境自動控制和管理，提高食用菌栽培產(chǎn)量，使傳統(tǒng)的食用菌栽培提質(zhì)增效。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖

圖1，為本系統(tǒng)的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖。為了降低布線成本和提高可靠性，本系統(tǒng)采用無線通信技術(shù)和星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由圖1可知，本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)集中器和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心3大部分組成。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由傳感器及執(zhí)行單元和CC2530單片機(jī)組成;數(shù)據(jù)集中器主要由CC2530單片機(jī)、ARM控制器、LCD顯示器和GPRS通信模塊組成。數(shù)據(jù)集中器中的CC2530單片機(jī)運(yùn)行協(xié)調(diào)器程序，負(fù)責(zé)建立無線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò)后，向周圍空間周期性廣播網(wǎng)絡(luò)存在信息包。當(dāng)采集節(jié)收到網(wǎng)絡(luò)信息包時(shí)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到請求后，分配一個網(wǎng)絡(luò)地址給采集節(jié)點(diǎn)，讓其成為網(wǎng)絡(luò)中一員。當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，采集節(jié)點(diǎn)通過傳感器采集溫度、濕度、二氧化碳等數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器收到各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類和管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

圖2為本系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)原理框圖，主要由工業(yè)級傳感器（光照傳感器、CO2傳感器和溫濕度傳感器）、RS485接口、CC2530控制器、數(shù)碼驅(qū)動芯片TM1650、數(shù)碼管顯示模塊、電流驅(qū)動芯片ULN2003、繼電器和藍(lán)牙通信模塊組成。在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)，為了提高可靠性，選用工業(yè)級別的光照、CO2和溫濕度傳感器。由于這些傳感器均采用RS485 Modbus通信協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)CC2530控制器與傳感器之間通信，要設(shè)計(jì)RS485接口電路，如圖2所示，RS485接口芯片的1、4引腳為信號輸出和輸入腳，RS485接口芯片的2、3引腳數(shù)據(jù)傳輸方向控制引腳。數(shù)碼管顯示模塊用于顯示濕度、濕度、CO2深度和光照數(shù)據(jù)值。藍(lán)牙通信模塊為本系統(tǒng)的輸入模塊，用戶可以通過手機(jī)的藍(lán)牙模塊與本模塊通信，通過運(yùn)行手機(jī)APP程序，可以方便的修改本系統(tǒng)的控制參數(shù)值。TM1650是一款數(shù)碼管專用驅(qū)動芯片，其內(nèi)置一個標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口。繼電器的正常工作時(shí)，需要幾十毫安的驅(qū)動電流，而CC2530的I/O驅(qū)動能力非常有限，因此，在本系統(tǒng)中采用一片ULN2003大電流驅(qū)動芯片來驅(qū)動繼電器工作。在CC2530單片機(jī)中運(yùn)行采集節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧，當(dāng)成功加入網(wǎng)絡(luò)之后，節(jié)點(diǎn)周期性的采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)回?cái)?shù)據(jù)采集器。

2.2 數(shù)據(jù)集中器硬件電路設(shè)計(jì)

圖3為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中器硬件設(shè)計(jì)框圖，采用以ARM為控制器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)集中器主要由ARM控制器、SDRAM儲存器、FLASH儲存器、SD卡、USB通信接口、觸摸屏顯示器、UART接口、GPRS通信模塊、CC2530單片等組成。ARM控制器選用了三星公司的S3C2440A處理器;SDRAM存儲器采用HY57V561620存儲芯片，其容量擴(kuò)充到2MB;FLASH儲存器采用K9F1208存儲芯片，其容量大小為512M，其作用是，儲存嵌入式系統(tǒng)中部分代碼和數(shù)據(jù)。SD卡是數(shù)據(jù)集中器的外部存儲設(shè)備，作為本地存儲設(shè)備，其作用是，能把終端采集到的數(shù)據(jù)保存一段時(shí)間，方便用戶查詢。在S3C2440A芯片上有3個互相獨(dú)立的異步UART口，一個分配給CC2530單片機(jī)，一個分配給GPRS通信模塊，另一個分配給MAX232 PC機(jī)串口。GPRS通信模塊采用安信可公司的A6 GPRS芯片，支持GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，最大下載數(shù)據(jù)速率高達(dá)85.6Kbps，上傳數(shù)據(jù)速率高達(dá)42.8Kbps。在A6 GPRS芯片中還內(nèi)置TCP/IP通信協(xié)議，并支持通過AT命令對GPRS模塊進(jìn)行配置。

數(shù)據(jù)集中器的CC2530單片機(jī)運(yùn)行協(xié)調(diào)器協(xié)議棧，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)和接收采集節(jié)點(diǎn)發(fā)回的數(shù)據(jù)。當(dāng)CC2530單片機(jī)接收完所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，把所有的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包形式通過串行通信口發(fā)給ARM處理器。ARM處理器接收到數(shù)據(jù)之后，一方面把數(shù)據(jù)存儲在本地的SD卡里，一方面把這些數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)到遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，為用戶提供遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)集中器的CC2530單片機(jī)中，要運(yùn)行協(xié)調(diào)程序來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)等功能。圖4為本系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器程序的流程圖，它是通過移植TI公司的Zstack2007協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)CC2530單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)執(zhí)行初始化程序，然后單片機(jī)向協(xié)議棧的ZDO和NWK層發(fā)送建立網(wǎng)絡(luò)請求。ZDO和NWK層響應(yīng)請求，并建立網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)建立網(wǎng)絡(luò)之后，CC2530單片機(jī)協(xié)調(diào)器周期性廣播網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包，判斷是否有節(jié)點(diǎn)申請加入網(wǎng)絡(luò)，如果有新的節(jié)點(diǎn)申請，協(xié)調(diào)器給新節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配一個唯一的16位短地地址，讓新節(jié)點(diǎn)成為網(wǎng)絡(luò)中一員。然后協(xié)調(diào)器判斷是否有收到新的數(shù)據(jù)，如果有新的數(shù)據(jù)，設(shè)置串口傳送數(shù)據(jù)事件，讓操作系統(tǒng)把數(shù)據(jù)以一定的格式傳給ARM處理器。

3.2 采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

在采集節(jié)點(diǎn)的CC2530單片機(jī)上要運(yùn)行無線網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)程序，圖5為采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)的流程圖，單片機(jī)CC2530上電時(shí)，CC2530執(zhí)行初始化程序，并判斷在其周圍是否存在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如果周圍存在網(wǎng)絡(luò)，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，采集節(jié)點(diǎn)一旦加入成功，采集節(jié)點(diǎn)馬上設(shè)置數(shù)據(jù)采集事件讓操作系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)操作系統(tǒng)完成采集后，再設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送事件，讓操作系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)到協(xié)調(diào)器。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心程序設(shè)計(jì)采用JAVA和Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)接收、分析和處理等。

4 系統(tǒng)測試

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并開始對系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性測試。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，其精度高防水性能好。在本次測試中，共設(shè)計(jì)5個采集節(jié)點(diǎn)和1個數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行測試。采集節(jié)點(diǎn)每隔1分鐘采集一次數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)發(fā)到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器每隔10分鐘把所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，圖6是利用智能手機(jī)查詢光照傳感器采集的光照數(shù)據(jù)界面，圖7為溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)，從測試結(jié)果看出，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

食用菌營養(yǎng)豐富，是理想綠色保健食品，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。利用現(xiàn)代技術(shù)升級改造食用菌行業(yè)，是提高食用菌效益重要途徑。本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一套食用菌生長監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)食用菌生長環(huán)境自動控制和管理，有利于提高食用菌栽培產(chǎn)量，使傳統(tǒng)的食用菌栽培提質(zhì)增效。

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