周恒瑞， 邱巨兵，許勝捷，郭 碩，周紅標，馬從國

(淮陰工學院，江蘇淮安223001)

我國食用菌總產量已位居世界第一，人們對食用菌的需求量在不斷增加。與發(fā)達國家食用菌產業(yè)高度自動化相比，我國食用菌產業(yè)發(fā)展不均衡，廣大農村地區(qū)的食用菌生產主要來自家庭作坊式分散種植，生產規(guī)模小，信息化與自動化程度低。食用菌生長過程中受環(huán)境因素影響比較大，在其生長的各個階段對環(huán)境參數的要求也不相同，為了提高產量和效益需要對其生長過程全程監(jiān)控。菇農主要靠經驗來調節(jié)食用菌生長環(huán)境參數，人力投入多，但食用菌的品質不高且產量不穩(wěn)定，嚴重影響食用菌供應量和經濟效益。針對食用菌生長環(huán)境特點國內學者開展了相關研究，高百惠等研究基于ZigBee技術的食用菌栽培環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)并給出了自動化技術解決方案，韋樹貢構建了基于ZigBee無線通信技術的大柵食用菌生長環(huán)境測控系統(tǒng)，楊恒耀等設計了基于ZigBee技術的食用菌生長環(huán)境監(jiān)測與管理系統(tǒng)，沈金權開發(fā)了基于ZigBee的食用菌生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，盡管這些研究對降低菇農勞動力和提高生產效率有一定成效，但在降低環(huán)境監(jiān)控成本、部署檢測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上優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件設計方案和檢測終端節(jié)點空間位置，提高系統(tǒng)通信可靠性和經濟效益，進一步降低監(jiān)控系統(tǒng)成本等方面做有益的探索。

1 系統(tǒng)概述

ZigBee是工農業(yè)中應用廣泛的無線傳感網絡，可以為食用菌生長環(huán)境感知提供便利，結合食用菌生產現狀，充分利用ZigBee系統(tǒng)的資源優(yōu)勢，設計了食用菌工廠化生產環(huán)境智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由環(huán)境參數檢測、傳輸和監(jiān)控3層組成，實現對食用菌環(huán)境參數的自動化檢測和智能調節(jié)，3層基本功能如下：①環(huán)境參數檢測層，該層將無線傳感網和食用菌生長環(huán)境參數感知相結合，由多個檢測終端節(jié)點構成食用菌生長環(huán)境參數檢測網絡，通過合理部署多個檢測終端節(jié)點立體采集食用菌環(huán)境的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度等參數，并通過ZigBee網絡將檢測參數傳送到協(xié)調控制器；②數據傳輸層，該層通過路由節(jié)點和協(xié)調控制器節(jié)點對收集到的食用菌環(huán)境參數進行智能化處理，預測食用菌生長環(huán)境變化趨勢，控制加濕器、通風機和加熱器等設備的協(xié)作運行，調節(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終端節(jié)點數據發(fā)到OneNET物聯網平臺；③監(jiān)控層，該層通過構建OneNET物聯網平臺實現食用菌環(huán)境參數遠程監(jiān)控管理，菇農可以通過手機APP或電腦等智能終端實時查看OneNET物聯網平臺的數據，獲知各檢測參數情況、歷史曲線、執(zhí)行器運行狀態(tài)，并可通過OneNET物聯網平臺下發(fā)用戶命令到協(xié)調控制器節(jié)點調節(jié)現場執(zhí)行設備，系統(tǒng)結構示意如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計包括檢測終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調控制器節(jié)點3部分，檢測終端節(jié)點負責食用菌房內的環(huán)境參數采集，路由節(jié)點和協(xié)調控制器節(jié)點負責信息傳輸與處理。由于食用菌生長環(huán)境變化相對平緩，數據處理壓力較小，3種節(jié)點的處理器均采用CC2530， CC2530處理器可編程閃存可達256 KB，具有增強型8051內核，21 個通用I/O 引腳、8 路可配置分辨率的12 位ADC和2 個USART。為提高協(xié)調控制器與OneNET物聯網平臺之間數據傳輸的可靠性，采用2種方式相結合的通信方案，應用低功耗高性能的ESP8266WIFI模塊實現WIFI通信， EC600S CAT1模組實現移動4G通信，WIFI通信模塊和4G模組串口都經信號選擇芯片ET7222與協(xié)調控制噐節(jié)點的串口1相連接，CC2530的普通I/O控制ET7222選通WIFI或移動4G模組。該移遠通信的移動4G通信模組體積小、功耗低、成本低并且支持多種平臺通信，可以非常方便地接入阿里云或OneNET物聯網平臺。檢測終端節(jié)點具備自組網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功能，檢測終端節(jié)點傳感器主要包含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、測量功耗小等特點，CO濃度傳感器測量范圍0～10 000 mg/m,分辨率為30 mg/m，其對溫濕度變化響應低、CO的選擇性好并能適應現場各種惡劣環(huán)境，光照度傳感器對光譜響應進行了優(yōu)化，具有體積小、線性度好、抗干擾能力強等特點，分辨率為0.1 lx，可在3.3～5.5 V條件工作,滿負荷工作電流0.7 mA。

圖1 系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Architecture of system

3 系統(tǒng)軟件設計

監(jiān)控系統(tǒng)軟件由檢測終端、協(xié)調控制器和監(jiān)控中心OneNET軟件構成，綜合考慮食用菌環(huán)境遠程監(jiān)控的需求，系統(tǒng)軟件采用模塊化設計。檢測終端軟件實現食用菌生長環(huán)境參數的采集與傳輸，協(xié)調控制器節(jié)點實現對檢測終端節(jié)點數據匯總、處理、人機交互顯示，調節(jié)外部設備及數據的傳輸功能，監(jiān)控中心OneNET軟件具有解析、存儲和顯示食用菌生長環(huán)境參數并自動調節(jié)遠程調控設備等功能，應用OneNET物聯網云開放平臺提供的使用向導即可完成 監(jiān)控中心OneNET的開發(fā)。檢測終端與協(xié)調控制器軟件設計過程如下：

檢測終端節(jié)點上電后自動搜尋并加入空間中的ZigBee網絡，成功加入ZigBee網絡后，啟動檢測終端節(jié)點上的傳感器采集食用菌生長環(huán)境參數，通過ZigBee網絡直接發(fā)送或通過路由節(jié)點中繼發(fā)送數據到協(xié)調控制器節(jié)點。數據傳送完成后檢測終端節(jié)點進入休眠狀態(tài)，結合食用菌房內環(huán)境和食用菌生長特點，系統(tǒng)設定的檢測終端采集時間間隔為1 min，定時到自動喚醒檢測終端節(jié)點再次采集數據并發(fā)送，如此循環(huán)。例如，入網失敗則通過指示燈報警提示，檢測終端節(jié)點程序流程如圖2所示。

協(xié)調控制器節(jié)點既作為ZigBee網絡的組織者又作為數據處理與數據傳輸的處理中心，協(xié)調控制器節(jié)點上電后通過標準函數完成系統(tǒng)硬件參數初始化，掃描信道并建立一個指定ID的ZigBee網絡，接收加入網絡的請求，節(jié)點成功加入網絡則分配ID地址，接收并處理檢測終端節(jié)點上傳數據，如收到的環(huán)境參數超設定值且判定環(huán)境異常則啟動調節(jié)設備并立即上傳異常情況到OneNET物聯網云平臺，協(xié)調控制器運行過程中通過中斷方式隨時響應用戶的控制指令，15 min上傳1次檢測數據和現場調控設備運行狀態(tài)。協(xié)調控制器默認通過WIFI上傳數據到OneNET物聯網平臺，如WIFI通信連續(xù)3次嘗試失敗自動切換到移動4G網絡，如果連續(xù)3次嘗試依然沒有成功連接則啟動本地報警，并在協(xié)調控制器OLED顯示報警原因。協(xié)調控制器節(jié)點軟件程序流程如圖3所示。

圖2 檢測終端節(jié)點程序流程Fig.2 Work flow of end device

圖3 協(xié)調控制器節(jié)點程序流程Fig.3 Work flow of coordination controller

4 終端節(jié)點布置

5 試驗應用

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基地進行試驗，該基地平菇菌房共有6間，選取其中2處面積接近的進行對比試驗，試驗菌房采用模糊控制+PI控制方式編號分別為1號試驗菌房，對照菌房采用人工控制方式編號為1號對照菌房，此外試驗菌房內布置了1個路由節(jié)點和1個協(xié)調控制器節(jié)點。試驗菌房內安裝了室內空氣循環(huán)扇、濕簾、排氣扇，對照菌房未做特別改造。試驗菌房中的溫度設定為16，CO濃度上限設定為1 000 mg/m，濕度設定為90%，光照設定為160 lx，試驗菌房與對照菌房的環(huán)境參數變化對比圖如圖4所示：

圖4為1號試驗菌房和1號對照菌房10月27日1 d中環(huán)境參數變化曲線。圖4a中1號試驗菌房內溫度相對穩(wěn)定在適宜平菇生長的16.0 ℃，1號對照菌房溫度波動較大，溫度波動最大超過了5.5 ℃，與室外溫度波動相近，嚴重影響平菇生長；圖4b中1號試驗菌房濕度保持在平菇子實體生長最佳范圍，一直維持在90%，偏差不超過2%； 1號對照菌房人工控制濕度情況下濕度波動大，最高到96%，嚴重影響平菇籽子實體的生長并降低平菇品質；圖4c中1號試驗菌房CO濃度在允許范圍內波動，有利于平菇子實體生長， 1號對照菌房CO濃度波動大，上升最高超過1 300 mg/m達到有害濃度；圖4d中1號試驗菌房光照維持在150 lx， 1號對照菌房因菇農的活動和室外光照變化導致光照量相對增加，從而使平菇的顏色加深且品質降低。經過近4個月的試運行，測試表明該監(jiān)控系統(tǒng)可以適應平菇不同生長階段需要，有效調節(jié)食用菌房環(huán)境參數和提高平菇生產的效益。

6 結論

該研究探討了基于ZigBee的食用菌生長環(huán)境無線自動監(jiān)控技術，通過優(yōu)化軟硬件及檢測節(jié)點部署提高了監(jiān)控系統(tǒng)的性能，該系統(tǒng)可以為中小規(guī)模食用菌生產提供自動化控制支持，試驗結果表明該系統(tǒng)可以有效地對平菇生長環(huán)境調控?？赏ㄟ^調整系統(tǒng)的控制參數適應其他菌類的生產，降低菇農的勞動力提升收益。

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