太陽能物聯網的食用菌無線監測節點設計

黃梅春，宋俊慷，韋樹貢，楊秀增

（廣西民族師范學院物聯網技術集成與應用重點實驗室，廣西 崇左 532200）

食用菌是一種大型真菌，其營養不僅豐富，還含有多糖核酸藥用成分，是人們公認的具有保健功能的綠色食品[1-3]。目前，我國食用菌總產量大，是公認的食用菌生產大國，從總體來看，與西方發達國家相比，目前我國栽培食用菌生產模式還比較落后[4-5]，大規模生產程度還比較低，生產成本高，經濟效益低。因此，研制自動化食用菌監測設備，對增高食用菌生產效益具有十分重要的現實意義。

針對以上情況，本文利用物聯網技術[5-8]和智能控制技術，設計能實時監測食用菌生長的無線監控節點[9]，本節點能實時采集食用菌大棚的溫度、濕度、CO2的含量和光照強度，并能根據當前采集到的參數值和預設置參數值，控制食用菌大棚中的電機設備，為食用菌生長發育創造穩定的生長環境。

1 無線監控節點總體設計

圖1 為無線監控節點的總體設計框圖，由太陽能電池板組件、太陽能充電管理模塊、鋰電池、單片機控制器、RS232/485 轉換電路、CO2傳感器、光照傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、LCD 觸摸顯示模塊、CC2530 通信模塊、繼電器驅動模塊、繼電器和加濕機、風扇卷簾機等各種執行單元組成。為了解決節點的供電問題，采用太陽能供電方式。如圖1 所示，電池板組件作用是把光能轉換成電能。太陽能充電管理模塊作用是保護鋰電池，防止鋰電池過充和過放。單片機控制器是節點的控制中心，負責數據采集、顯示和控制任務的執行等工作。CO2傳感器、光照傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器用于分別負責采集周圍環境的CO2濃度、光照強度、溫度和濕度值。RS232/485 轉換電路與單片機控制器的UART1 相連，負責傳感器和單片機控制器不同通信協議的轉換。LCD 觸摸顯示模塊是輸入與輸出設備，與單片機控制的UART3 相連，用于顯示數據值和節點控制參數修改。CC2530 通信模塊與單片機控制器的UART0 相連，負責把采集到的數據發送到數據集中器。繼電器與單片機的P2 口相連，控制相應繼電器的通斷，負責加濕機、風扇和卷簾機等設備的啟動和停止。

圖1 無線監控節點總體設計框圖

2 硬件設計

2.1 傳感器電路設計

圖2 為傳感器電路設計原理圖，由傳感器、RS232/485 轉換電路和光電耦合電路組成。在選擇傳感器時，都選用自帶RS485 通信協議的工業級的光照、CO2和溫濕度傳感器。為了實現單片機與傳感器之間通信，要設計RS232/485 轉換電路，如圖2 所示。選用Maxim 公司低功耗轉換芯片MAX485，其內部含有一個驅動器和一個接收器。第1 引腳為接收器的輸出口，與光電耦合器件的第2 引腳相連，當驅動器輸出引腳R 為低電壓時，光電耦合器U1 導通，第5 引腳為低電壓，單片機RXD 讀到低電壓，相反，當驅動器輸出引腳R 為高電壓時，光電耦合器U1 截止，第5 引腳輸出高電壓，單片機RXD 引腳接到高電壓。MAX485 的第4 引腳是驅動器的輸入口，與光電耦合的第5 引腳相連，當單片機TXD 輸出低電壓時，光電耦合器U2 件處于導通狀態，光電耦合器U2 的第5 引腳為低電壓，MAX485 的第4 引腳輸入低電壓，相反，當單片機TXD 輸出高電壓時，光電耦合器U2 件處于截止狀態，光電耦合器U2 的第5 引腳為高電壓，MAX485 的第4 引腳輸入高電壓。由于MAX485 為異步半雙工轉換芯片，在某個時刻芯片只能是發送或者讀取數據狀態，這通過芯片的第2 和第3 引腳的電壓來實現，當單片機P2^2輸出高電壓時，光電耦合器件U3 處于截止狀態，光電耦合U3 的第4 引腳為低電壓，MAX485 的第2 引腳為低電壓，MAX485 芯片處于讀取數據狀態，相反，當單片機P2^2 輸出低電壓時，光電耦合器件U3 處于導通狀態，光電耦合U3 的第4 引腳為高電壓，MAX485 的第2 引腳為高電壓，MAX485 芯片處于發送數據狀態。

圖2 傳感器電路設計原理圖

2.2 繼電器驅動電路設計

圖3 為繼電器驅動電路原理圖，由一片電流驅動芯片ULN2003 和各個繼電器組成。ULN2003 是一片耐高壓大電流驅動芯片，其內部集成7 個NPN 達林頓三極管，灌電流可達500 mA，是理想的繼電器驅動芯片。ULN2003 的1-4 引腳分別接單片機的P2^0-P2^3 引腳，ULN2003 的13-16 引腳分別接繼電器K5-K2 的第2 引腳，當單片機P2^0-P2^3 輸出高電壓時，ULN2003 的13-16 引腳輸出低電壓，繼電器K5-K2 的第2 引腳都為低電壓，繼電器線圈有電流，繼電器常開開關閉合，繼電器所控制的設備啟動，相反，當單片機P2^0-P2^3 輸出低電壓時，ULN2003 的13-16 引腳輸出高電壓，繼電器K5-K2的第2 引腳都為高電壓，繼電器線圈沒有電流，繼電器常開開關斷開，繼電器所控制的設備停止。

圖3 繼電器驅動電路原理圖

2.3 太陽能充電管理電路設計[9]

圖4 為太陽能充電管理模塊電路。為了提高可靠性，本電路采用鋰電池充電芯片CN3722。CN3722 充電效率高，這是因為其內部集成了太陽能電池最大功率跟蹤功能（MPPT）電路。15 引腳是CN3722 電源輸入端，輸入電壓范圍7.5～28 V，M1 為P 溝道MOS 場效應晶體管，其棚極受到CN3722 的內部驅動電路驅動。M1，D1，D1和L構成降壓型DC/DC 開關電路，D2為續流二極管，L 是大功率電感儲能元件，當開關管M1 導通時，輸入電源（太陽能電池板）電流流經M1、D1、L、RC和電池，回到輸入電源的負極，形成一個閉合回路，大功率電感L 把電能轉換成磁能，儲存在電感L 中，當開關管M1 截止時，D1截止、D2導通，大功率電感器L 處于放電狀態，把磁能轉換成電能，繼續向電池充電。

圖4 太陽能充電管理模塊電路

3 軟件設計

3.1 單片機主控程序設計

圖5 是單片機主控程序算法流程圖，監測節點上電，單片機運行初始化程序，對單片機內部或者外部設備進行初始化操作，再從單片機的FLASH 中讀取預存的環境控制參數值，然后，依次采集溫度、濕度、光照和CO<下標> 2下標傳感器中的值，把采集到的數據發送到LCD 顯示屏中，同時把數據發送到CC2050 通信模塊中，最后單片機把當前數據值與設定值進行比較，根據比較結果驅動相應的繼電器，控制相關的電機工作。

3.2 無線通信程序設計

系統程序設計方面，除了設計單片機程序之外，還要設計無線通信程序設計，解決好無線采集節點和數據集中器數據通信問題。本無線監控節點利用CC2530 芯片成功實現無線網絡的組網，為了提高程序的設計效率，可以在CC2530 芯片移植TI 公司的Zigbee 協議（Z-Stack）。

圖6 為CC2530 軟件設計流程圖，當單片機CC2530 上電時，CC2530 執行初始化程序，對設備進行初始化操作。CC2530 完成初始化操作后，就判斷在周圍是否存在合法的無線傳感器信號，如果周圍存在網絡，就向無線網絡的協調器發送申請加入網絡請求，當協調器收到加入網絡請求時，向申請節點分配一個網絡節點地址，并向節點發送允許加入網絡命令。當采集節點一旦加入網絡成功，采集節點周期性設置數據發送事件，操作系統把采集到的數據發送到協調器。

圖5 單片機主控程序算法流程圖

圖6 CC2530 軟件設計流程圖

4 系統測試

為了驗證無線監控節點的可靠性和穩定性，對節點進行測試。溫濕度、CO2傳感器和光照傳感器選用普銳森社工業級別傳感器，這些傳感器采用工業化標準ModBus通信協議。在測試時，采集節點每隔1 min 采集1 次數據，并把數據用LCD 顯示屏顯示出來，圖7 為顯示結果圖。從測試結果可以看出，系統工作穩定，滿足設計要求。

圖7 無線監控節點控制界面

5 結束語

食用菌作為一種綠色食品日益受到各國人民的重視，越來越受到人們的喜愛。然而目前我國的食用菌生產技術比較落后，產量不高。利用物聯網技術升級落后食用菌手工生產方式，是提高食用菌效益的重要途徑。本文利用物聯網技術和智能控制技術，設計了一款基于太陽能物聯網的食用菌無線監測節點，實現了食用菌生長環境參數的采集和自動控制，有利于降低勞力成本，使傳統的食用菌栽培提質增效。