基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的食用菌環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周恒瑞， 邱巨兵，許勝捷，郭 碩，周紅標(biāo)，馬從國(guó)

(淮陰工學(xué)院，江蘇淮安223001)

我國(guó)食用菌總產(chǎn)量已位居世界第一，人們對(duì)食用菌的需求量在不斷增加。與發(fā)達(dá)國(guó)家食用菌產(chǎn)業(yè)高度自動(dòng)化相比，我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展不均衡，廣大農(nóng)村地區(qū)的食用菌生產(chǎn)主要來自家庭作坊式分散種植，生產(chǎn)規(guī)模小，信息化與自動(dòng)化程度低。食用菌生長(zhǎng)過程中受環(huán)境因素影響比較大，在其生長(zhǎng)的各個(gè)階段對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求也不相同，為了提高產(chǎn)量和效益需要對(duì)其生長(zhǎng)過程全程監(jiān)控。菇農(nóng)主要靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，人力投入多，但食用菌的品質(zhì)不高且產(chǎn)量不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響食用菌供應(yīng)量和經(jīng)濟(jì)效益。針對(duì)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境特點(diǎn)國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究，高百惠等研究基于ZigBee技術(shù)的食用菌栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)并給出了自動(dòng)化技術(shù)解決方案，韋樹貢構(gòu)建了基于ZigBee無線通信技術(shù)的大柵食用菌生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，楊恒耀等設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的食用菌生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)，沈金權(quán)開發(fā)了基于ZigBee的食用菌生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，盡管這些研究對(duì)降低菇農(nóng)勞動(dòng)力和提高生產(chǎn)效率有一定成效，但在降低環(huán)境監(jiān)控成本、部署檢測(cè)終端和可靠通信等方面仍不完善。鑒于此，筆者在前人研究基礎(chǔ)上優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方案和檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)空間位置，提高系統(tǒng)通信可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)一步降低監(jiān)控系統(tǒng)成本等方面做有益的探索。

1 系統(tǒng)概述

ZigBee是工農(nóng)業(yè)中應(yīng)用廣泛的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以為食用菌生長(zhǎng)環(huán)境感知提供便利，結(jié)合食用菌生產(chǎn)現(xiàn)狀，充分利用ZigBee系統(tǒng)的資源優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了食用菌工廠化生產(chǎn)環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、傳輸和監(jiān)控3層組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)和智能調(diào)節(jié)，3層基本功能如下：①環(huán)境參數(shù)檢測(cè)層，該層將無線傳感網(wǎng)和食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)感知相結(jié)合，由多個(gè)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，通過合理部署多個(gè)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)立體采集食用菌環(huán)境的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度等參數(shù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)參數(shù)傳送到協(xié)調(diào)控制器；②數(shù)據(jù)傳輸層，該層通過路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)對(duì)收集到的食用菌環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能化處理，預(yù)測(cè)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境變化趨勢(shì)，控制加濕器、通風(fēng)機(jī)和加熱器等設(shè)備的協(xié)作運(yùn)行，調(diào)節(jié)環(huán)境的溫濕度、CO濃度和光照度等，打包所有接收到的檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；③監(jiān)控層，該層通過構(gòu)建OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)食用菌環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，菇農(nóng)可以通過手機(jī)APP或電腦等智能終端實(shí)時(shí)查看OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)，獲知各檢測(cè)參數(shù)情況、歷史曲線、執(zhí)行器運(yùn)行狀態(tài)，并可通過OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)用戶命令到協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)3部分，檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)食用菌房?jī)?nèi)的環(huán)境參數(shù)采集，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)信息傳輸與處理。由于食用菌生長(zhǎng)環(huán)境變化相對(duì)平緩，數(shù)據(jù)處理壓力較小，3種節(jié)點(diǎn)的處理器均采用CC2530， CC2530處理器可編程閃存可達(dá)256 KB，具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，21 個(gè)通用I/O 引腳、8 路可配置分辨率的12 位ADC和2 個(gè)USART。為提高協(xié)調(diào)控制器與OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，采?種方式相結(jié)合的通信方案，應(yīng)用低功耗高性能的ESP8266WIFI模塊實(shí)現(xiàn)WIFI通信， EC600S CAT1模組實(shí)現(xiàn)移動(dòng)4G通信，WIFI通信模塊和4G模組串口都經(jīng)信號(hào)選擇芯片ET7222與協(xié)調(diào)控制噐節(jié)點(diǎn)的串口1相連接，CC2530的普通I/O控制ET7222選通WIFI或移動(dòng)4G模組。該移遠(yuǎn)通信的移動(dòng)4G通信模組體積小、功耗低、成本低并且支持多種平臺(tái)通信，可以非常方便地接入阿里云或OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)具備自組網(wǎng)和采集食用菌房中的溫濕度、光照度和二氧化碳濃度等參數(shù)功能，檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)傳感器主要包含DHT11溫濕度傳感器、CO濃度傳感器MG812和光照傳感器B-LUX-V30B，DHT11溫濕度傳感器具有精度高、成本低、測(cè)量功耗小等特點(diǎn)，CO濃度傳感器測(cè)量范圍0～10 000 mg/m,分辨率為30 mg/m，其對(duì)溫濕度變化響應(yīng)低、CO的選擇性好并能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種惡劣環(huán)境，光照度傳感器對(duì)光譜響應(yīng)進(jìn)行了優(yōu)化，具有體積小、線性度好、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，分辨率為0.1 lx，可在3.3～5.5 V條件工作,滿負(fù)荷工作電流0.7 mA。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Architecture of system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件由檢測(cè)終端、協(xié)調(diào)控制器和監(jiān)控中心OneNET軟件構(gòu)成，綜合考慮食用菌環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。檢測(cè)終端軟件實(shí)現(xiàn)食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的采集與傳輸，協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總、處理、人機(jī)交互顯示，調(diào)節(jié)外部設(shè)備及數(shù)據(jù)的傳輸功能，監(jiān)控中心OneNET軟件具有解析、存儲(chǔ)和顯示食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)并自動(dòng)調(diào)節(jié)遠(yuǎn)程調(diào)控設(shè)備等功能，應(yīng)用OneNET物聯(lián)網(wǎng)云開放平臺(tái)提供的使用向?qū)Ъ纯赏瓿?監(jiān)控中心OneNET的開發(fā)。檢測(cè)終端與協(xié)調(diào)控制器軟件設(shè)計(jì)過程如下：

檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)上電后自動(dòng)搜尋并加入空間中的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，成功加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，啟動(dòng)檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)上的傳感器采集食用菌生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送或通過路由節(jié)點(diǎn)中繼發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳送完成后檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，結(jié)合食用菌房?jī)?nèi)環(huán)境和食用菌生長(zhǎng)特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)定的檢測(cè)終端采集時(shí)間間隔為1 min，定時(shí)到自動(dòng)喚醒檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)再次采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，如此循環(huán)。例如，入網(wǎng)失敗則通過指示燈報(bào)警提示，檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)程序流程如圖2所示。

協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)既作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組織者又作為數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚碇行?，協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)上電后通過標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)完成系統(tǒng)硬件參數(shù)初始化，掃描信道并建立一個(gè)指定ID的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，接收加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)則分配ID地址，接收并處理檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，如收到的環(huán)境參數(shù)超設(shè)定值且判定環(huán)境異常則啟動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)備并立即上傳異常情況到OneNET物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，協(xié)調(diào)控制器運(yùn)行過程中通過中斷方式隨時(shí)響應(yīng)用戶的控制指令，15 min上傳1次檢測(cè)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。協(xié)調(diào)控制器默認(rèn)通過WIFI上傳數(shù)據(jù)到OneNET物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，如WIFI通信連續(xù)3次嘗試失敗自動(dòng)切換到移動(dòng)4G網(wǎng)絡(luò)，如果連續(xù)3次嘗試依然沒有成功連接則啟動(dòng)本地報(bào)警，并在協(xié)調(diào)控制器OLED顯示報(bào)警原因。協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)軟件程序流程如圖3所示。

圖2 檢測(cè)終端節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.2 Work flow of end device

圖3 協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)程序流程Fig.3 Work flow of coordination controller

4 終端節(jié)點(diǎn)布置

5 試驗(yàn)應(yīng)用

2021年7月16日在淮安區(qū)某食用菌專業(yè)合作社的食用菌生長(zhǎng)基地進(jìn)行試驗(yàn)，該基地平菇菌房共有6間，選取其中2處面積接近的進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)菌房采用模糊控制+PI控制方式編號(hào)分別為1號(hào)試驗(yàn)菌房，對(duì)照菌房采用人工控制方式編號(hào)為1號(hào)對(duì)照菌房，此外試驗(yàn)菌房?jī)?nèi)布置了1個(gè)路由節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)控制器節(jié)點(diǎn)。試驗(yàn)菌房?jī)?nèi)安裝了室內(nèi)空氣循環(huán)扇、濕簾、排氣扇，對(duì)照菌房未做特別改造。試驗(yàn)菌房中的溫度設(shè)定為16，CO濃度上限設(shè)定為1 000 mg/m，濕度設(shè)定為90%，光照設(shè)定為160 lx，試驗(yàn)菌房與對(duì)照菌房的環(huán)境參數(shù)變化對(duì)比圖如圖4所示：

圖4為1號(hào)試驗(yàn)菌房和1號(hào)對(duì)照菌房10月27日1 d中環(huán)境參數(shù)變化曲線。圖4a中1號(hào)試驗(yàn)菌房?jī)?nèi)溫度相對(duì)穩(wěn)定在適宜平菇生長(zhǎng)的16.0 ℃，1號(hào)對(duì)照菌房溫度波動(dòng)較大，溫度波動(dòng)最大超過了5.5 ℃，與室外溫度波動(dòng)相近，嚴(yán)重影響平菇生長(zhǎng)；圖4b中1號(hào)試驗(yàn)菌房濕度保持在平菇子實(shí)體生長(zhǎng)最佳范圍，一直維持在90%，偏差不超過2%； 1號(hào)對(duì)照菌房人工控制濕度情況下濕度波動(dòng)大，最高到96%，嚴(yán)重影響平菇籽子實(shí)體的生長(zhǎng)并降低平菇品質(zhì)；圖4c中1號(hào)試驗(yàn)菌房CO濃度在允許范圍內(nèi)波動(dòng)，有利于平菇子實(shí)體生長(zhǎng)， 1號(hào)對(duì)照菌房CO濃度波動(dòng)大，上升最高超過1 300 mg/m達(dá)到有害濃度；圖4d中1號(hào)試驗(yàn)菌房光照維持在150 lx， 1號(hào)對(duì)照菌房因菇農(nóng)的活動(dòng)和室外光照變化導(dǎo)致光照量相對(duì)增加，從而使平菇的顏色加深且品質(zhì)降低。經(jīng)過近4個(gè)月的試運(yùn)行，測(cè)試表明該監(jiān)控系統(tǒng)可以適應(yīng)平菇不同生長(zhǎng)階段需要，有效調(diào)節(jié)食用菌房環(huán)境參數(shù)和提高平菇生產(chǎn)的效益。

6 結(jié)論

該研究探討了基于ZigBee的食用菌生長(zhǎng)環(huán)境無線自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)，通過優(yōu)化軟硬件及檢測(cè)節(jié)點(diǎn)部署提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)可以為中小規(guī)模食用菌生產(chǎn)提供自動(dòng)化控制支持，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以有效地對(duì)平菇生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)控?？赏ㄟ^調(diào)整系統(tǒng)的控制參數(shù)適應(yīng)其他菌類的生產(chǎn)，降低菇農(nóng)的勞動(dòng)力提升收益。

圖4 平菇菌房環(huán)境參數(shù)變化對(duì)比圖Fig.4 Comparison of environmental parameters in edible fungus room