基于CAN總線的食用菌溫室監控系統設計

鄭祥明,潘祖榮,武明西,圣光磊

(亳州學院 電子與信息工程系,安徽 亳州 236800)

食用菌不僅含有豐富的蛋白質,而且含有賴氨酸、精氨酸和甲硫氨酸等8種人體必需的氨基酸,被人們稱為餐桌的“山珍”[1]。食用菌菌種的生長發育與環境條件密切相關,影響菌種生長的環境因子主要有溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度和酸堿度等。其中空氣相對濕度是影響食用菌菌種的生長發育的關鍵因子,在適宜的濕度環境下,菌絲會健康生長。反之,當濕度過高時會造成菌種袋內氧氣不足影響菌絲生長,當濕度過低時會造成菌種水分流失,導致菌絲生長緩慢甚至死亡[2-3]。針對食用菌菌種生長環境難以調控的特點,系統選用高性能微處理器STM32[4],并結合其自帶的Controller Area Network(CAN)接口提出基于CAN總線的菌類溫室智能化監控方案。該系統利用CAN的特點實行多主控制并且根據溫室的實際情況可以直接增減控制節點,具有高可靠性、速度快和低功耗等優勢,可以實時監控食用菌溫室的溫濕度、二氧化碳和光照等環境因子,確保菌種的健康成長。

1 食用菌溫室監控概述

1.1 環境溫度

食用菌的成長會受到溫度的影響,在可以承受的溫度界限,食用菌的代謝速率和生長與溫度成正比,當溫度慢慢超出可承受的范圍時,食用菌的生命活動狀態開始受到不良影響,如果溫度不斷上升,食用菌體內的細胞活性下降,甚至出現死亡現象。因此,食用菌種植時需要將食用菌溫室的溫度調節到最適溫度區間,如表1[5-8]所示。根據食用菌發展特點,可以分為不同的發展階段,而在食用菌生殖發展階段,溫度的變化能夠直接影響食用菌子實體的成長快慢程度和質量,在這個關鍵時期,如果忽略了溫度的變化就會給食用菌的生長造成嚴重的影響[5]。所以,在食用菌生長的過程中,食用菌種植農戶可以進行溫度調控來提高食用菌的生長發育,以提高食用菌的穩產高產。

表1 幾種常見食用菌對溫濕度的要求

1.2 環境濕度

水分是食用菌細胞的主要成分,大約90%的含水量產生在菌絲體中,食用菌的表面積大,內部水分會發生蒸騰作用,而發生蒸騰作用的程度會受到濕度的影響[6]。通常食用菌菌絲在生長發育時所要求的室內空氣濕度占比為80%到90%之間,而一旦菇房的室內空氣濕度占比降到了百分之六十,平菇等子實物就會停滯生長發育,當菇房內空氣濕度占比降低到40%到45%之間時,子實體就不再分離了,已分離的幼菇干枯或死去,同時菇房內的空氣濕度不能高于90%[7],如表1所示整理了部分常用菌類對相對濕度的需求。如果濕度很高,病菌很容易侵入,破壞子實體。所以,在食用菌生長的過程中,我們可以進行調控適宜環境來促進食用菌的生長發育,以提高食用菌的產量。

1.3 環境光照與二氧化碳濃度

食用菌是腐生生物,因此在食用菌生長過程中不存在光合作用,且直射光對食用菌的生長起抑制作用,但少量的散射光有助于大多數食用菌子實體的分化[8]。此外,空氣中二氧化碳的濃度可以影響食用菌的生長發育,當濃度過高時能夠導致食用菌發育緩慢,影響產量。食用菌可通過呼吸作用吸收溫室大棚內的氧氣,然后將二氧化碳排出體外,因此我們在培養食用菌的過程中需要做到通風換氣,防止食用菌溫室大棚內的二氧化碳濃度過高。

2 系統硬件設計

針對多數菌種適宜的相對濕度需要保持在80%左右、溫度在20℃左右、二氧化碳濃度不宜過高并且一般不需要光照的特點。本課題采用CAN總線通訊方式,以STM32F103ZET6作為核心控制處理器設計的CAN總線節點電路總體結構如圖1所示,該系統主要包含主控制器最小控制單元、溫濕度采集模塊、光照采集模塊、二氧化碳濃度采集模塊、顯示模塊、報警模塊、控制模塊以及CAN收發模塊[9]。系統利用溫濕度和光照等環境因子采集傳感器實時采集食用菌溫室大棚內的環境數據,然后將數據信息發送到微控制器,微控制器數據處理完畢后將數據通過CAN通信模塊傳輸到人機交互接口的LCD12864顯示屏上顯示,若超過設定的閾值,蜂鳴器就會發出警報并通過調控模塊及時調節,以達到監控食用菌溫室的目的。

圖1 CAN總線節點結構圖

2.1 CAN協議

CAN是一種國際標準化的串行通信協議,因其具有高性能和可靠性被廣泛地應用于汽車、工業自動化和醫療設備等領域[10]。CAN總線的物理層特征如圖2所示,其中起止端均需設計一個120Ω的電阻做阻抗匹配,以減少回波反射。CAN控制器通過CAN_H和CAN_L上的電位差來定義顯性電平和隱性電平,同時,由于與總線連接的節點沒有類似于“地址”的信息,用戶可根據實際需要增減控制節點,而不會影響其他節點的正常工作。本課題主要研究對象是食用菌溫室大棚的溫濕度、光照和二氧化碳濃度等,利用CAN通信協議實現菌類溫室遠程監控有利于用戶根據實際情況隨時調整監控節點的數量。

圖2 CAN節點物理層特征圖

2.2 CAN通信節點設計

系統主控制器選用意法半導體公司推出的基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6微處理器,該處理器集成了CAN接口,支持CAN2.0A和CAN2.0B主動模式。課題僅需選擇合適的CAN協議控制器并設計物理總線之間的接口電路配合處理器自帶的CAN通信接口即可實現數據的收發。

TJA1050是一款完全兼容ISO11898標準,最大可實現1Mbps的高速數據傳輸,采用該器件為總線提供差分發射能力并為CAN控制器提供差分接收能力,其原理圖如圖3所示。其中CAN_TX和CAN_RX分別與處理器的硬件CAN接口PA12和PA11相連,TJA1050芯片的第6腳和第7腳之間的120Ω電阻即為終端電阻,做阻抗匹配,具有提高抗干擾能力和信號質量的效果。

圖3 TAJ1050接口原理圖

2.3 溫濕度傳感器電路

DHT11數字溫濕度傳感器集成了電阻式測濕元件和NTC測溫元件,在3.5～5.5V工作電壓下,數據線接一個4.7K左右的上拉電阻即可完成硬件設計。由于采用了單總線數據格式,按照DHT11的時序要求編寫驅動代碼即可一次獲取40bit的數據包,該數據包包含環境濕度數據、環境溫度數據和8bit校驗和。其中溫度測量范圍為0～50℃,分辨率為1℃;濕度測量范圍為20%～90%,分辨率為1%RH,可以滿足多數菌種的溫濕度生長環境監控需求。

2.4 光照傳感器電路

為避免光敏二極管線性差的情況,系統選用BH1750數字傳感器作為光照傳感器監控食用菌溫室大棚內的光照強度。BH1750是一款數字型光強度傳感器集成芯片,集成了光敏二極管、運放和AD等單元組成并且芯片內部做了線性處理,實現光照數據下線性輸出。與DHT11單總線處理方式不同,本模塊的通信接口為IIC通信方式,該通信協議由電源線、時鐘線(SCL)和數據線(SDA)組成。其工作時序為:發送起始信號→發送設備地址+讀寫命令→等待應答→接收1個字節數據→發送應答→接收1個字節數據→發送接收信號。將接收的數據進行處理得到:光照強度=(寄存器值[15:0]×分辨率)/1.2(單位:勒克斯lx)。BH1750對環境光照強度具有較高的分辨率,能夠精確的檢測出食用菌溫室內光照強度的變化,以便對食用菌溫室大棚進行補光或遮光處理。

2.5 二氧化碳傳感器電路

在正常的空氣中,二氧化碳的含量為0.03%(300ppm),由于食用菌中不含葉綠素,是一種吸收氧氣產生二氧化碳的真菌,多數食用菌在二氧化碳濃度較高時都會影響食用菌菌絲體的生長(即濃度越高食用菌產量越低),部分食用菌在二氧化碳濃度達到20%～30%時的生長量反而有一定提高,且在食用菌生長的不同階段對氧氣的需求量也不同。因此,合理監控食用菌溫室內的二氧化碳濃度有助于提高食用菌的產量,幫助農戶增加收益。系統選用型號為MG811的二氧化碳傳感器模塊,該模塊具有靈敏度高,響應恢復快;受溫度影響較小,隔熱散熱好并設有溫度補償;穩定性強,使用壽命長;探頭可插拔,使用方便;測量量程大等優點,可以較好地滿足系統設計需要。

2.6 報警及調控模塊

基于用戶需求,系統設計蜂鳴器現場報警與遠程報警兩種模式,即在監控現場和控制端均設計聲光報警單元。系統選用有源蜂鳴器和LED作為聲光報警對象,其中蜂鳴器需接一個NPN型三極管驅動蜂鳴器,當環境控制因子超出安全閾值時,相應GPIO口輸出高電平驅動蜂鳴器和LED實現聲光報警,以提醒用戶。

2.7 人機交互接口

基于溫室環境復雜的特點,系統選用穩定性更好的機械按鍵進行系統參數的設置。其中,每個獨立按鍵設計上拉電阻將按鍵檢測端口的電平拉高,當GPIO口檢測到低電平則表示相應功能的按鍵按下。同時,為了讓用戶直觀地了解溫室的環境信息,系統選用LCD12864顯示屏適時顯示系統采集的信息。LCD12864有并行和串行兩種數據傳輸方式,本系統為降低布線復雜度選用串行通信方式。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件工作流程

基于STM32的CAN總線通信節點設計需要完成溫濕度、光照信息和二氧化碳等環境數據的采集、處理、傳輸、顯示和反饋控制等功能。首先,系統上電實現系統各模塊的初始化,然后啟動環境采集模塊完成環境因子的采集、處理和終端顯示等,隨后把處理后的數據通過CAN總線傳輸給主控制端存儲和顯示等。當環境數據超出了用戶設定的安全閾值時,可以利用終端的控制功能自動調節或通過主控制端手動調控,其系統軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

3.2 CAN通信協議程序設計

CAN總線具有多主機工作方式,即總線在空閑狀態下任意節點都可以向總線發送信息。當任一節點獲得總線發送權時,CAN收發器將處理器采集的數據信息轉換為邏輯電平,然后再轉換成差分電平發送到CAN總線上;在接收數據時,CAN收發器則將總線上的差分電平轉換為邏輯電平,然后再翻譯得到節點采集的數據信息發送到處理器上。

CAN控制器在發送或接收報文時,需要向發送郵箱中寫入報文或者從接收FIFO(First Input First Output)中讀取報文信息,利用STM32標準固件庫的發送及接收結構體可以便捷的將需要的模式配置好。

3.2.1 發送報文

首先我們需要重置TIR寄存器,將需要發送的報文寫入一個空的發送郵箱,然后對發送郵箱的報文數據進行設置,設置完成后寄存器TIR請求發送報文,當程序重置寄存器TIR的發送成功確認位后表示報文發送成功。需要注意的是報文的發送需要遵循優先級,只有當郵箱中的報文的優先級高于其他報文的優先級時,才可以在總線空閑時發送報文,過程如圖5所示。

圖5 報文發送過程圖

3.2.2 接收報文

當報文被CAN總線接收時,接收程序會直接訪問接收FIFO寄存器中的報文信息,然后讀取輸出郵箱中的報文信息。需要注意的是只有被標識符標識的報文才是所需要的報文并且當報文被接收讀取后就會釋放掉,為下一次接收做好準備過程如圖6所示。

圖6 報文接收過程圖

4 測試

本文以香菇的接種與培養為例,在無光或弱光環境下保持培養室空氣新鮮,設置空氣相對濕度為80%～87%,溫度在14～34℃。當溫度和濕度均在設定閾值范圍時,系統正常運行;當溫度或者濕度超過設定的閾值時,則系統報警并啟動調節模式,測試數據如圖7所示。

圖7 系統溫濕度測試曲線圖

5 結論

針對菌類生長的復雜控制環境,以STM32為核心的CAN總線通信節點設計智能化的菌類溫室監控系統。本課題設計CAN通信節點結合STM32內嵌CAN控制器不僅能夠使原本設計的電路變得更加簡單,而且使成本減少、功耗降低。此外,CAN通信的優勢可以保障數據在傳輸過程中更加穩定,時效性更強,將CAN總線和STM32結合并運用到食用菌溫室大棚的設計有著廣闊的前景。