基于ZigBee網絡的食用菌環境監控系統設計

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。與發達國家食用菌產業高度自動化相比，我國食用菌產業發展不均衡，廣大農村地區的食用菌生產主要來自家庭作坊式分散種植，生產規模小，信息化與自動化程度低。食用菌生長過程中受環境因素影響比較大，在其生長的各個階段對環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控。菇農主要靠經驗來調節食用菌生長環境參數，人力投入多，但食用菌的品質不高且產量不穩定，嚴重影響食用菌供應量和經濟效益。針對食用菌生長環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境監控系統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境測控系統，楊恒耀等設計了基于ZigBee技術的食用菌生長環境監測與管理系統，沈金權開發了基于ZigBee的食用菌生長環境監控系統，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，但在降低環境監控成本、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化監控系統軟硬件設計方案和檢測終端節點空間位置，提高系統通信可靠性和經濟效益，進一步降低監控系統成本等方面做有益的探索。

1 系統概述

ZigBee是工農業中應用廣泛的無線傳感網絡，可以為食用菌生長環境感知提供便利，結合食用菌生產現狀，充分利用ZigBee系統的資源優勢，設計了食用菌工廠化生產環境智能監控系統。該系統由環境參數檢測、傳輸和監控3層組成，實現對食用菌環境參數的自動化檢測和智能調節，3層基本功能如下：①環境參數檢測層，該層將無線傳感網和食用菌生長環境參數感知相結合，由多個檢測終端節點構成食用菌生長環境參數檢測網絡，通過合理部署多個檢測終端節點立體采集食用菌環境的溫濕度、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調控制器；②數據傳輸層，該層通過路由節點和協調控制器節點對收集到的食用菌環境參數進行智能化處理，預測食用菌生長環境變化趨勢，控制加濕器、通風機和加熱器等設備的協作運行，調節環境的溫濕度、CO濃度和光照度等，打包所有接收到的檢測終端節點數據發到OneNET物聯網平臺；③監控層，該層通過構建OneNET物聯網平臺實現食用菌環境參數遠程監控管理，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、執行器運行狀態，并可通過OneNET物聯網平臺下發用戶命令到協調控制器節點調節現場執行設備，系統結構示意如圖1所示。

2 系統硬件設計

監控系統硬件設計包括檢測終端節點、路由節點和協調控制器節點3部分，檢測終端節點負責食用菌房內的環境參數采集，路由節點和協調控制器節點負責信息傳輸與處理。由于食用菌生長環境變化相對平緩，數據處理壓力較小，3種節點的處理器均采用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與協調控制噐節點的串口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境，光照度傳感器對光譜響應進行了優化，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 系統結構示意圖Fig.1 Architecture of system

3 系統軟件設計

監控系統軟件由檢測終端、協調控制器和監控中心OneNET軟件構成，綜合考慮食用菌環境遠程監控的需求，系統軟件采用模塊化設計。檢測終端軟件實現食用菌生長環境參數的采集與傳輸，協調控制器節點實現對檢測終端節點數據匯總、處理、人機交互顯示，調節外部設備及數據的傳輸功能，監控中心OneNET軟件具有解析、存儲和顯示食用菌生長環境參數并自動調節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 監控中心OneNET的開發。檢測終端與協調控制器軟件設計過程如下：

檢測終端節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，啟動檢測終端節點上的傳感器采集食用菌生長環境參數，通過ZigBee網絡直接發送或通過路由節點中繼發送數據到協調控制器節點。數據傳送完成后檢測終端節點進入休眠狀態，結合食用菌房內環境和食用菌生長特點，系統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點再次采集數據并發送，如此循環。例如，入網失敗則通過指示燈報警提示，檢測終端節點程序流程如圖2所示。

協調控制器節點既作為ZigBee網絡的組織者又作為數據處理與數據傳輸的處理中心，協調控制器節點上電后通過標準函數完成系統硬件參數初始化，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，節點成功加入網絡則分配ID地址，接收并處理檢測終端節點上傳數據，如收到的環境參數超設定值且判定環境異常則啟動調節設備并立即上傳異常情況到OneNET物聯網云平臺，協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。協調控制器默認通過WIFI上傳數據到OneNET物聯網平臺，如WIFI通信連續3次嘗試失敗自動切換到移動4G網絡，如果連續3次嘗試依然沒有成功連接則啟動本地報警，并在協調控制器OLED顯示報警原因。協調控制器節點軟件程序流程如圖3所示。

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

圖3 協調控制器節點程序流程Fig.3 Work flow of coordination controller

4 終端節點布置

5 試驗應用

2021年7月16日在淮安區某食用菌專業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個路由節點和1個協調控制器節點。試驗菌房內安裝了室內空氣循環扇、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中環境參數變化曲線。圖4a中1號試驗菌房內溫度相對穩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，測試表明該監控系統可以適應平菇不同生長階段需要，有效調節食用菌房環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的食用菌生長環境無線自動監控技術，通過優化軟硬件及檢測節點部署提高了監控系統的性能，該系統可以為中小規模食用菌生產提供自動化控制支持，試驗結果表明該系統可以有效地對平菇生長環境調控。可通過調整系統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 平菇菌房環境參數變化對比圖Fig.4 Comparison of environmental parameters in edible fungus room