邵浚 劉凱蒙 師靜沙 劉國(guó)煥

摘要：蘑菇是人們?nèi)粘Ｉ钪星嗖A的美食，現(xiàn)今人們更愿意體驗(yàn)家庭種植的樂(lè)趣，有家庭種植的需求。為了滿(mǎn)足人們的蘑菇種植需求，設(shè)計(jì)一款基于遠(yuǎn)程控制的智能家庭食用菌種植箱。用戶(hù)在手機(jī)APP上選擇種植食用菌的種類(lèi)，箱體就會(huì)自動(dòng)將環(huán)境調(diào)控至適合該種食用菌生長(zhǎng)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)食用菌種的全自動(dòng)化培養(yǎng)，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)箱環(huán)境和蘑菇生長(zhǎng)狀況，調(diào)節(jié)菌種生長(zhǎng)環(huán)境。

關(guān)鍵字：HT66F2390單片機(jī);食用菌種植箱;自動(dòng)培育;遠(yuǎn)程控制;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);

0 引言

蘑菇被認(rèn)為是現(xiàn)代人們?cè)谌粘Ｉ钪凶顬榍嗖A的一道美食，其熱量低，也是營(yíng)養(yǎng)豐富的維生素寶庫(kù)，所含的蛋白質(zhì)可以高達(dá)百分之三十。許多年輕人經(jīng)常到店鋪選購(gòu)蘑菇，然而，一些商家在銷(xiāo)售蘑菇的過(guò)程中并不會(huì)特別注意衛(wèi)生，將蘑菇放在藥劑中浸泡以保證新鮮的賣(mài)相，售賣(mài)時(shí)僅僅用水簡(jiǎn)單沖洗并包裝。與此同時(shí)，現(xiàn)今的人們更愿意在自己家中種植一些花花草草，感受家庭栽培的樂(lè)趣，滿(mǎn)足家庭栽培的需要。然而，想要在家里自己栽培好蘑菇也不是一件簡(jiǎn)單的事，蘑菇的生長(zhǎng)過(guò)程對(duì)于溫濕度和環(huán)境的要求極為嚴(yán)格，而且普通人們又缺少專(zhuān)門(mén)的種植技術(shù)知識(shí)，更無(wú)法抽出多余的時(shí)間照顧。為了更好地解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款基于遠(yuǎn)程控制的智能家庭食用菌種植箱。系統(tǒng)以HT66F2390單片機(jī)為主控器芯片，配有云端和手機(jī)端、環(huán)境監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組。用戶(hù)在手機(jī)APP上選擇種植哪種食用菌，箱體會(huì)自動(dòng)將環(huán)境調(diào)控至適合該種食用菌生長(zhǎng)的環(huán)境，并且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)培養(yǎng)箱環(huán)境和蘑菇生長(zhǎng)狀況，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)獲取此類(lèi)信息并做出調(diào)整。[1]

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由云端和手機(jī)端、HT66F2390主控、環(huán)境監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。圖1為智能家庭食用菌種植箱系統(tǒng)架構(gòu)圖。

1.1 服務(wù)器云端控制、手機(jī)端

遠(yuǎn)程PC云端和手機(jī)APP端是基于阿里云平臺(tái)搭建的，基于阿里云提供的接入?yún)f(xié)議和平臺(tái)功能，用戶(hù)終端與手機(jī)APP、云服務(wù)器共同構(gòu)建了一套完整的智能家庭食用菌種監(jiān)控系統(tǒng)。用戶(hù)終端即時(shí)地將數(shù)據(jù)推送至云平臺(tái)，云平臺(tái)根據(jù)推送的數(shù)據(jù)進(jìn)行云端和手機(jī)APP端同步更新。云端和手機(jī)APP端通過(guò)下發(fā)指令控制終端。[2]

1.2 種植控制終端設(shè)計(jì)

種植控制終端以WIFI的方式與服務(wù)器通信;HT66F2390負(fù)責(zé)各單元的功能協(xié)調(diào)及對(duì)外通信。種植控制終端架構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)種植箱和MCU上電后，通過(guò)WIFI連接用戶(hù)家中路由器并接入互聯(lián)網(wǎng)，服務(wù)器中儲(chǔ)存好了市面上常見(jiàn)的各個(gè)蘑菇種類(lèi)各個(gè)生長(zhǎng)階段的適宜的溫濕度環(huán)境參數(shù)，當(dāng)用戶(hù)要在某個(gè)種植箱內(nèi)種植某種蘑菇時(shí)，事先在手機(jī)APP上選擇要種植的蘑菇的種類(lèi)，之后服務(wù)器會(huì)將該種蘑菇的適宜環(huán)境種植數(shù)據(jù)下發(fā)至指定的種植箱，種植箱開(kāi)始對(duì)箱體內(nèi)溫濕度環(huán)境的調(diào)控。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟較大功率風(fēng)扇來(lái)降低溫度，溫度過(guò)低時(shí)開(kāi)啟發(fā)熱片來(lái)提高溫度;當(dāng)濕度過(guò)高時(shí)開(kāi)啟小功率風(fēng)扇來(lái)降低濕度，濕度過(guò)低時(shí)打開(kāi)加濕器來(lái)提高箱體內(nèi)濕度。每隔一段時(shí)間，種植箱會(huì)將目前的溫濕度數(shù)據(jù)和通過(guò)超聲波測(cè)距模塊測(cè)出的蘑菇生長(zhǎng)高度通過(guò)wifi模塊發(fā)給服務(wù)器，當(dāng)蘑菇生長(zhǎng)環(huán)境長(zhǎng)期異常、加濕器內(nèi)儲(chǔ)水模塊內(nèi)部水量不足或蘑菇成熟時(shí)通過(guò)APP提醒用戶(hù)，用戶(hù)能夠隨時(shí)查看蘑菇的生長(zhǎng)狀況，同時(shí)擁有手控模式，用戶(hù)能夠通過(guò)手機(jī)自主開(kāi)關(guān)指定的箱體內(nèi)調(diào)控模塊里的組件。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由云端和手機(jī)端、HT66F2390主控、環(huán)境監(jiān)測(cè)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。其中服務(wù)端由手機(jī)端和PC端組成通過(guò)WIFI通信模塊與系統(tǒng)層進(jìn)行通信;種植控制終端由HT66F2390主控、溫濕度、WIFI、加濕、升溫、超聲波、風(fēng)機(jī)等模塊組成。

2.1 服務(wù)器云端控制、手機(jī)端

2.1.1 WIFI通信模塊

本作品擬使用的wifi模塊是EMW3080串口wifi模塊，EMW3080模塊擁有強(qiáng)大的片上處理技術(shù)、存儲(chǔ)能力，因此降低了前期的開(kāi)發(fā)難度、減少了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)所占用的系統(tǒng)資源，同時(shí)模塊的集成度極高，在設(shè)計(jì)整體系統(tǒng)時(shí)所占PCB的空間很小，最后還擁有著超低能耗的工作模式。模塊的工作電壓為3.3V，與單片機(jī)的通訊方式使用的是串口，操作簡(jiǎn)單，可行性高。串口wifi電路及實(shí)物如圖3所示。

2.2種植控制終端

2.2.1 HT66F2390主控芯片

主模塊采用HT66F2390，該系列單片機(jī)是一款8 位具有高性能精簡(jiǎn)指令集的A/D Flash 型單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有一系列功能和特性，其Flash 存儲(chǔ)器可多次編程的特性給客戶(hù)提供了極大的方便。除了Flash 程序存儲(chǔ)器，還包括RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和用于存儲(chǔ)序列數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等非易失性數(shù)據(jù)的True EEPROM 存儲(chǔ)器。[3]

在模擬特性方面，該單片機(jī)包含一個(gè)多通道12-bit A/D 轉(zhuǎn)換器和兩個(gè)比較器。其具有多個(gè)使用靈活的定時(shí)器模塊，可提供定時(shí)功能、脈沖產(chǎn)生功能及PWM產(chǎn)生功能。內(nèi)建完整的SPI、UART 和I2C 接口功能，為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)易于外部硬件通信的接口。內(nèi)部看門(mén)狗定時(shí)器、低電壓復(fù)位和低電壓檢測(cè)等內(nèi)部保護(hù)特性，外加優(yōu)秀的抗干擾和ESD 保護(hù)性能，確保單片機(jī)在惡劣的電磁干擾環(huán)境下可靠地運(yùn)行。 該系列單片機(jī)提供了HXT，LXT，HIRC 和LIRC 振蕩器功能選項(xiàng)，且內(nèi)建完整的系統(tǒng)振蕩器，無(wú)需外接元器件。其在不同工作模式之間動(dòng)態(tài)切換的能力，為用戶(hù)提供了一個(gè)優(yōu)化單片機(jī)操作和減少功耗的手段。包含I/O 使用靈活、時(shí)基功能和其他特性確保了該系列單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，例如電子測(cè)量?jī)x器、環(huán)境監(jiān)控、手持式測(cè)量工具、家庭應(yīng)用、電子控制工具、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等多方面。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于HT66F2390的智能家庭食用菌種植箱由HT66F2390單片機(jī)作為主控芯片，在其上集成一系列傳感器，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相配合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。用各種傳感器采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行回傳并統(tǒng)計(jì)，讓工作人員在pc端或手機(jī)APP的阿里云平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對(duì)食用菌生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。[4]每隔一段時(shí)間，種植箱會(huì)將目前的溫濕度數(shù)據(jù)和通過(guò)超聲波測(cè)距模塊測(cè)出的蘑菇生長(zhǎng)高度通過(guò)wifi模塊發(fā)給服務(wù)器，用戶(hù)能夠隨時(shí)查看蘑菇的生長(zhǎng)狀況，同時(shí)擁有手控模式，用戶(hù)能夠通過(guò)手機(jī)自主開(kāi)關(guān)指定的箱體內(nèi)調(diào)控模塊里的傳感器組件。用于與手機(jī)APP傳輸數(shù)據(jù)軟件設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1測(cè)試步驟

4.1.1 dht11測(cè)試

連接dht11模塊，通過(guò)usb轉(zhuǎn)串檢測(cè)環(huán)境溫度，并發(fā)送到串口中。

4.1.2超聲波測(cè)試模塊

連接超聲波測(cè)距模塊，燒入代碼，測(cè)試相關(guān)距離并發(fā)送到串口顯示

4.1.3繼電器模塊

連接相關(guān)實(shí)物，通過(guò)WIFI下發(fā)的參數(shù)，繼電器能夠進(jìn)行相關(guān)操作，并且相關(guān)模塊能夠運(yùn)作。

4.1.4 WIFI測(cè)試

第一步將WIFI與電腦串口連接，用配置WIFI模塊。

第二步，將WIFI與阿里云平臺(tái)連接，檢測(cè)WIFI模塊與串口通信，并且檢測(cè)云平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)格式，以便于之后代碼的編寫(xiě)。

第三步，將WIFI模塊連接開(kāi)發(fā)板，檢測(cè)阿里云平臺(tái)與開(kāi)發(fā)板的通信正常。

第四步，WIFI模塊與溫濕度模塊都連接好，放入搭好的實(shí)物中，通過(guò)阿里云平臺(tái)下發(fā)蘑菇相關(guān)生長(zhǎng)環(huán)境，檢測(cè)環(huán)境溫度。

4.2 測(cè)試結(jié)果

WIFI模塊能夠成功下發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)，并且能夠向云平臺(tái)發(fā)送溫濕度的相關(guān)信息，繼電器能夠正常工作，隨著相關(guān)開(kāi)發(fā)板收到相關(guān)的信息，可以看到當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，風(fēng)扇開(kāi)始工作;當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，加熱片開(kāi)始發(fā)熱;當(dāng)濕度變大時(shí)，加濕模塊開(kāi)始噴水;濕度過(guò)低時(shí)，小風(fēng)扇開(kāi)始除濕。測(cè)試結(jié)果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于HT66F2390單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款智能家庭食用菌種植箱，并給出了具體的硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的智能自動(dòng)化種植箱達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)食用菌種的全自動(dòng)化培養(yǎng)，并且用戶(hù)可以通過(guò)APP遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)菌種生長(zhǎng)狀態(tài)，調(diào)節(jié)菌種生長(zhǎng)環(huán)境，具有一定的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]袁小平等.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（3）：376-378.

[2]彭程.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展策略研究.西安郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.

[3]HT66F2390數(shù)據(jù)手冊(cè)

[4]劉春紅等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)信息平臺(tái)開(kāi)發(fā).中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011.

作者簡(jiǎn)介：

邵浚（2000-），女，漢族，山東諸城人，福建師范大學(xué)本科在讀，新能源科學(xué)與工程測(cè)控方向。