趙 麗，朱學軍

（寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021）

基于無線射頻模塊杏鮑菇栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)*

趙 麗，朱學軍**

（寧夏大學機械工程學院，寧夏 銀川 750021）

杏鮑菇屬于低溫結實菌類，是一種耐旱、適度好氣的珍稀食用菌。它的生長繁殖過程是一個高級的物質生命運動過程，原基形成階段，杏鮑菇對栽培環(huán)境中的溫度、濕度以及CO2濃度等關鍵因子尤為敏感。為了形成杏鮑菇周年栽培過程中環(huán)境因子有效的調控機制，借助傳感器、STC12C5A60S2單片機、NRF905無線射頻模塊以及LabVIEW上位機軟件，研究開發(fā)了西北地區(qū)適用的珍稀食用菌栽培環(huán)境數(shù)字化信息監(jiān)控平臺，對關鍵環(huán)境因子進行自動、精準、遠程、無線及分布式的監(jiān)控，并對其數(shù)據(jù)進行實時存儲。為設施環(huán)境下杏鮑菇生長發(fā)育模型的建立和節(jié)能型調控策略的形成提供了有效的技術支持，進而提升了杏鮑菇的栽培品質與產量。

杏鮑菇；環(huán)境因子；無線監(jiān)控；NRF905；LabVIEW

寧夏南部山區(qū)以其特有的區(qū)域氣候資源成為杏鮑菇的栽培基地之一。然而杏鮑菇復雜的生物學特性使得其在不同生長期對生長環(huán)境中各項環(huán)境因子要求苛刻[1]。原基形成期最適溫度為10℃～18℃，最適空氣相對濕度在80%～95%之間，CO2濃度應在500 mg·L-1～1 600 mg·L-1[2]。目前杏鮑菇生長環(huán)境因子調控機制尚不完善，嚴重影響了寧夏南部山區(qū)杏鮑菇的生長品質及產量，這成為制約杏鮑菇周年栽培技術形成及生長發(fā)育模型建立的一大難題[3]。因此，迫切需要構建一種小氣候溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以便及時了解溫室內的環(huán)境狀況，并自動、精準地采取有效措施進行實時調控，為杏鮑菇提供最適宜的生長環(huán)境，從而達到現(xiàn)代化管理、精準化作業(yè)、集約化栽培的目的。

傳統(tǒng)的溫室環(huán)境因子監(jiān)控采用儀表結合人工經驗操作的方法，存在耗時費力、監(jiān)控范圍小、監(jiān)測周期長、不能實時反映溫室環(huán)境動態(tài)變化的弊端[4]，串行總線、現(xiàn)場總線自動監(jiān)測系統(tǒng)需要鋪設大量的電纜線，且布線困難、施工難度大，且線路易受破壞和腐蝕、維護成本高、監(jiān)測范圍有限[5]。無線傳感器網(wǎng)絡具有智能化程度高、信息實效強、覆蓋區(qū)域廣、支持多路傳感器數(shù)據(jù)同步采集、可擴展性好等特點[6]。目前，國內外已開展了無線傳感器網(wǎng)絡在溫室氣候監(jiān)控相關方面的應用研究?；趥鞲衅骷夹g、組態(tài)技術、PLC技術設計的杏鮑菇菇棚物候環(huán)境控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了菇棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集處理和監(jiān)控[7]。利用多傳感器信息融合技術、GPRS無線通信技術設計了杏鮑菇遠程監(jiān)控系統(tǒng)[8]。但上述監(jiān)控系統(tǒng)均使用了采集器一體化設備，價格昂貴，存在不能根據(jù)實際需要自行設置采集參數(shù)等弊端。本文以杏鮑菇栽培環(huán)境中的溫濕度、CO2濃度為監(jiān)控目標，利用傳感器、NRF905無線射頻模塊、STC12C5A60S2單片機開發(fā)了下位機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用虛擬儀器Lab VIEW開發(fā)了上位機監(jiān)控系統(tǒng)。能對菇棚環(huán)境參數(shù)進行實時采集，并通過無線射頻模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，相應處理后進行Excel存儲。另外，上位機通過無線模塊對各個采集節(jié)點的執(zhí)行設備進行反向控制，真正實現(xiàn)了杏鮑菇栽培環(huán)境的自動化控制。

1 杏鮑菇無線監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

本系統(tǒng)主要由上位機、主機、NRF905無線射頻模塊、從機、傳感器及相應的執(zhí)行機構組成?？傮w結構如圖1所示。主機和從機均由STC12C5A60S2單片機和NFR905無線射頻模塊組成，單片機和NRF905之間通過SPI協(xié)議實現(xiàn)通訊。從機接溫濕度及CO2濃度傳感器和相應的環(huán)境調控設備。主機和從機之間通過NRF905進行無線數(shù)據(jù)傳輸。主機和上位機之間通過TTL轉USB轉換接口實現(xiàn)串口通訊。系統(tǒng)上電后，傳感器檢測到菇棚內的溫濕度及CO2濃度傳送到從機，經過A/D轉換及濾波處理后，從機將數(shù)據(jù)寫入NRF905無線射頻模塊，經過天線無線傳送到主機的NRF905無線模塊，主機從無線模塊讀出數(shù)據(jù)，經過串口傳送到上位機，上位機軟件經相應的程序處理將數(shù)據(jù)轉換成十進制數(shù)進行直觀顯示，并將數(shù)據(jù)按照設定的路徑存儲到EXCEL表格中。同時上位機將該數(shù)據(jù)與設定好的標準值進行比較，如果存在偏差，上位機將向串口發(fā)送相應的控制指令，主機接收到上位機發(fā)來的指令后，通過無線射頻模塊將指令發(fā)給從機，從機經過判斷后控制對應繼電器的狀態(tài)，進而控制外部環(huán)境調控設備，實現(xiàn)反向控制。

2 無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

2.1系統(tǒng)硬件總體設計

無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件主要是由傳感器節(jié)點（所有從機）和匯聚節(jié)點（主機）組成的無線網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點在硬件結構上由處理器模塊、無線通訊模塊、電源模塊、傳感器模塊和環(huán)境調控設備構成。系統(tǒng)上電后，傳感器將檢測到的環(huán)境因子模擬信號送到單片機中，單片機經內部A/D轉換器將其轉換成數(shù)字信號，再經過均值濾波技術處理，使其穩(wěn)定可靠。單片機通過SPI通訊協(xié)議將信號寫入NRF905無線模塊，通過天線發(fā)送出去，等待主機接收。匯聚節(jié)點要與監(jiān)測中心PC機連接，在硬件結構上與傳感器節(jié)點相比少了傳感器模塊和環(huán)境調控設備，多了串口通訊模塊，其它模塊設計與傳感器節(jié)點相同。傳感節(jié)點主要組成部分如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點硬件結構Fig.2 Hardware structure and principle diagram of sensor node

2.2系統(tǒng)主要硬件模塊

2.2.1 處理器和無線射頻模塊

系統(tǒng)處理器采用STC生產的STC12C5A60S2單片機，該單片機是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，內部集成SPI通訊模塊和8路高速10位A/D轉換器。無線通訊模塊采用發(fā)射功率可調、低功耗的NRF905無線射頻模塊，其抗干擾能力強、傳輸距離遠，可自動加載數(shù)據(jù)頭，進行CRC校驗。NRF905共有4種工作模式，2兩種活動模式（ShockBurst RX接收和ShockBurst TX發(fā)送），2種節(jié)電模式（掉電和SPI編程、STANDBY和SPI編程）。其工作模式由TRX_CN、TX_EN、PWR_UP的設置來設定，設置方式如表1所示。

表1 NRF905工作模式設置Tab.1 NRF905 operating mode setting

2.2.2 傳感器模塊

傳感器模塊考慮到應用需求、成本等問題，采用DHT11溫濕度傳感器和LCO2-V1二氧化碳濃度傳感器。所用傳感器的性能指標如表2所示。

2.2.3 電源模塊

電源模塊考慮NRF905工作電壓為1.9 V～3.6 V，DHT11溫濕度傳感器和單片機需5V直流電壓，LCO2-V1二氧化碳濃度傳感器需24V直流電壓，。所以采用S-25-12和S-50-24開關電源，分別將220 V交流電轉換成12 V和24 V直流電壓，24 V直流電給二氧化碳濃度傳感器供電，12 V直流電接到單片機開發(fā)底板的電源接口，開發(fā)板上的7805集成穩(wěn)壓器將其轉換成5 V，供單片機和溫濕度傳感器使用，ASM1117芯片將單片機上的5 V電壓轉換成3.3 V，為NRF905提供電源。

表2 傳感器性能指標Tab.2 Performance indicators of the sensors

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括節(jié)點軟件設計和上位機監(jiān)控中心軟件設計。節(jié)點軟件主要用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線通訊，上位機監(jiān)控軟件用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲和調控設備的自動控制和手動控制。

3.1系統(tǒng)節(jié)點軟件設計

節(jié)點軟件是基于51單片機Keilu Vision4開發(fā)環(huán)境，采用面向硬件操作的單片機C語言編程開發(fā)。節(jié)點軟件包括傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點軟件。

3.1.1 匯聚節(jié)點軟件設計

匯聚節(jié)點主要功能是對傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)進行接收與整合，并在接到上位機的數(shù)據(jù)接收請求時，將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機。同時將上位機發(fā)來的設備控制信息經過無線模塊發(fā)給傳感器節(jié)點。其程序設計流程如圖3所示。在接收傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)時，首先判斷從機號，如果是1號從機，就將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器的前8位，如果是2號從機，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器的后8位。匯聚節(jié)點其他部分的軟件設計與傳感器節(jié)點類似。

3.1.2 傳感器節(jié)點軟件設計

傳感器節(jié)點要按設定時間間隔，周期性地采集數(shù)據(jù)，因為系統(tǒng)選用的CO2濃度傳感器輸出0～5 V模擬電壓信號，要將其轉換成數(shù)字信號穩(wěn)定傳輸，需對數(shù)據(jù)進行A/D轉換和濾波處理，A/D轉換采用單片機內部集成的10位A/D轉換器實現(xiàn)。采用均值濾波技術，將A/D轉換完成的5組數(shù)字信號求其平均值再進行傳輸。傳感器節(jié)點程序設計包括主程序和中斷服務子程序。主程序首先進行初始化，在串口初始化時允許定時器中斷，開啟定時器T0，再對無線通訊模塊NRF905進行SPI接口寄存器配置，設置載波頻段為430.0購員MHz、數(shù)據(jù)包不重發(fā)、允許十六位CRC校驗等信息。中斷子程序主要功能就是按照設定好的時間間隔，控制傳感器節(jié)點周期性地采集數(shù)據(jù)，執(zhí)行完中斷程序后，返回繼續(xù)執(zhí)行主程序，定時器進入新一輪的定時。其程序流程如圖4所示。

圖3 匯聚節(jié)點程序設計流程圖Fig.3 Program flow chat of aggregation node

圖4 傳感器節(jié)點主程序和中斷程序流程圖Fig.4 Main program and interrupt program flow chat of sensor nodes

3.2上位機監(jiān)控中心軟件設計

上位機監(jiān)控中心軟件采用LabVIEW虛擬儀器編程開發(fā)。圖5為正在運行的杏鮑菇無線監(jiān)控總界面。界面直觀友好，能同時以曲線、儀表、表格的方式直觀地顯示實時數(shù)據(jù)，并能報警超限數(shù)據(jù)。監(jiān)控中心軟件設計主要包括前面板監(jiān)控界面設計和后面板程序設計。程序設計包括串口通訊模塊、數(shù)據(jù)轉換及存儲模塊、環(huán)境調控設備控制模塊。

圖5 上位機監(jiān)控系統(tǒng)總界面Fig.5 The general interface of the host computer monitoring system

3.2.1 串口配置及通訊協(xié)議

主機與上位機之間通過TTL轉USB接口實現(xiàn)串口通訊。程序設計包括串口初始化和自定義串口通訊協(xié)議。串口初始化設置波特率為9 600、8位數(shù)據(jù)位、停止位為1。為了確保串口正常通訊，自定義了簡單的通訊協(xié)議。上位機給主機發(fā)送2個字節(jié)信息，其中第1個字節(jié)作為兩者的通訊識別字。主機接收到上位機發(fā)送的信息，首先按位判斷第1個字節(jié)，如果全都匹配則正常通訊，否則通訊失敗。另外，主機給上位機返回的數(shù)據(jù)是16個字節(jié)，上位機需要判斷這16個字節(jié)中第0個和第1個是否分別為#和1，第8個和第9個字節(jié)是否分別為#和2，如果其中任何一個不對，均不能正常通訊。

3.2.2 數(shù)據(jù)轉換及存儲

上位機將主機發(fā)來的16個字節(jié)創(chuàng)建成一個一維數(shù)組，除了通訊協(xié)議中用掉的元素，其余的2個字節(jié)元素為一組，分別表示1號從機和2號從機的CO2濃度、溫度、濕度值。將它們按對應位置截取出來，通過一定轉換，變成十進制數(shù)，進行直觀顯示。并且通過相應的函數(shù)創(chuàng)建EXCEL表格，設置路徑，將數(shù)據(jù)以EXCEL文件進行存儲和管理。

3.2.3 調控設備控制程序設計

上位機控制模塊包括自動控制和手動控制。其控制要求為：CO2濃度、溫度、濕度分別控制在500 mg·L-1～1 600 mg·L-1、10℃～18℃、80%～95%。溫度過高（低）時，溫度上限（下限）報警燈亮，同時制冷機（加熱器）開；濕度過高（低）時，濕度上限（下限）報警燈亮，同時開啟（風機）噴淋器；杏鮑菇生長過程會不斷釋放CO2，因此只需考慮CO2不超過規(guī)定的上限。若超過上限，開啟風機來降低菇棚內CO2濃度。控制程序流程如圖6所示。

圖6 上位機自動控制程序流程圖Fig.6 Program flow chart of PC Automatic control

上位機發(fā)給主機信息中第2個字節(jié)是各個設備的控制指令。該字節(jié)的8個位中，前4位分別表示1號從機的風機、噴淋器、加熱器和制冷機的狀態(tài)，后4位分別表示2號從機的風機、噴淋器、加熱器和制冷機的狀態(tài)。每個設備的狀態(tài)由手動控制按鈕狀態(tài)和實測值與設定值的比較狀態(tài)取邏輯運算“或”來決定。比如手動按下制冷機開啟按鈕或實測溫度值比設定值高，制冷機就會開啟。上位機發(fā)送的控制指令如表3所示。

表3 控制指令查詢表Tab.3 Query table of the control instructions

4 試驗及結果分析

2014年10月16日到10月18日在寧夏彭陽縣長城塬食用菌園區(qū)，對杏鮑菇栽培環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)進行了實地試驗，節(jié)點現(xiàn)場作業(yè)圖如圖7所示，上位機實時監(jiān)控界面如圖5所示。取2014年10月17日處于原基形成期的10號菇棚8:00～18:00系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖8所示。

系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)曲線表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，靈敏度高，數(shù)據(jù)存儲和管理方便。為杏鮑菇原基形成期的生長發(fā)育創(chuàng)造了最佳的環(huán)境條件。

圖7 節(jié)點現(xiàn)場作業(yè)圖Fig.7 Node in field operation diagram

圖8 環(huán)境參數(shù)曲線Fig.8 Curve of the environmental parameters

5 結論

本文利用NRF905無線射頻技術、A/D轉換及均值濾波技術、LabVIEW上位機監(jiān)控技術、多傳感器融合技術，基于STC12C5A60S2單片機和LabVIEW上位機軟件成功設計了一套杏鮑菇栽培環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器節(jié)點獲取杏鮑菇菇棚內溫濕度及CO2濃度值，利用匯聚節(jié)點通過NRF905無線射頻模塊收集傳感器節(jié)點檢測的數(shù)據(jù)，并通過串口將數(shù)據(jù)傳到上位機監(jiān)控中心。上位機將系統(tǒng)實測值與設定值進行比較、判斷，以相反的傳輸方向向傳感器節(jié)點發(fā)送環(huán)境調控設備的控制指令。系統(tǒng)經反復試驗及用于實際工程背景后，實現(xiàn)了以下功能：

傳感器節(jié)點檢測到的現(xiàn)場環(huán)境因子數(shù)據(jù)能夠通過無線射頻模塊穩(wěn)定、及時地傳送到匯聚節(jié)點，整合后再發(fā)送到上位機，用戶可以方便、直觀地查詢當前各個環(huán)境因子數(shù)據(jù)及其變化趨勢；

完成了數(shù)據(jù)以EXCEL文件存儲與管理方便后期進行數(shù)據(jù)分析；

利用LabVIEW實現(xiàn)了對超限環(huán)境數(shù)據(jù)相應設備的手動及自動控制，為杏鮑菇提供了最佳的生長發(fā)育環(huán)境。

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Development of Pleurotus eryngii Cultivation Environment Monitoring System Based on Wireless Radio Frequency Module

ZHAO Li,ZHU Xue-jun
(Mechanical Engineering College of Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

Pleurotus eryngii belonged to the low temperature solid fungus，which was a kind of rare edible fungi drought,moderate aerobic.Growth and reproduction process of it was a matter of life sports advanced process,especially in the formative stages of primordia.Pleurotus eryngii was particularly sensitive to the key factor in the environment,such as temperature,humidity and concentration of CO2.In order to form the effective mechanism of regulation for control of the environmental factors in the process of Pleurotus eryngii anniversary cultivation,in this paper,the digital information monitoring platform for cultivation environment of rare edible fungus in northwest area were studied and developed,based on the sensor,microcontroller STC12C5A60S2,NRF905 wireless RF module and software of PC LabVIEW.It was achieved to automatic,accurate,wireless and distributed monitor the key environmental factors and its real-time data stored automatically.It provided an effective technical support for Pleurotus eryngii growth in the facility environment to establish growth model and format energy saving control strategy,so as to improve the quality and yield of Pleurotus eryngii cultivation.

Pleurotus eryngii;environmental factor;wireless monitoring;NRF905;LabVIEW

S646.1

A

1003-8310（2015）02-0023-06

10.13629/j.cnki.53-1054.2015.02.007

國家自然科學基金（61263007）；國家科技支撐計劃課題（2013BDA16B04）。

趙麗（1989-），女，在讀碩士研究生，主要研究方向為機電系統(tǒng)智能控制方面研究。E-mail:zhaoli408412@163.com

**通信作者：朱學軍（1970-），男，碩士，教授，主要從事機電系統(tǒng)智能控制方面研究。E-mail:zhuxuejunnxu@sina.com

2015-01-18