ZigBee技術在木耳制菌環境監控系統中的應用

高百惠（天津中德職業技術學院，天津 300350）

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ZigBee技術在木耳制菌環境監控系統中的應用

高百惠
（天津中德職業技術學院，天津 300350）

摘 要：本設計結合ZigBee無線傳輸技術、利用自動控制原理、單片機控制理論，以及MCGS組態軟件，完成了一套木耳制菌環境監控系統，該系統可以遠程監測制菌內環境參數，實時采集并傳輸，及時將環境參數調控至適宜菌種生長的條件。經試驗表明，本系統性能穩定，方便移植，可操作性強，在農業信息化、智能化、自動化發展中起著重要作用。

關鍵詞：Zigbee；無線傳感器網絡；遠程監控；木耳

0. 引言

在過去的40多年中，我國現代黑木耳產業不斷發展壯大，使得黑木耳已成為繼平菇、香菇之后的第三大食用菌品種。因此，將木耳菌種栽培環境監控系統搭建成具有高質量、高效率、低成本的特點，推動產業繼續發展，提升黑木耳的產量與質量，使生產自動化，方便從業人員的生產與管理成為了勢在必行的任務。

1. 系統整體設計方案

系統由遠程監控平臺、數據采集平臺以及現場監控平臺3部分組成。為了實時采集環境參數數據信息，需要將溫濕度傳感器與二氧化碳傳感器分別與終端ZigBee節點相連，通過ZigBee網絡將數據上傳至協調器中，MCGS監控觸摸屏來接收協調器匯總傳送的數據，對數據做出判斷，決定是否改變自動噴淋系統、通風系統及制菌室內空調系統的開關狀態。然后將控制指令返回給協調器來控制相應繼電器的開關狀態，使得制菌室內的環境狀況能夠實現智能調控以及食用菌制菌過程環境監控的自動化。并且可以通過MCGS觸摸屏來實現現場情況的實時查看，各設備工作狀態的了解，各參數信息的掌握。現場數據亦可通過無線模塊傳送至遠端主控制機上，實現系統的遠程監控。系統整體模擬圖如圖1所示。

2. 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊選型

在制菌生產過程中，為了使菌種的質量和產量得到保證，需要監測對菌種生長起著重要影響的參數，包括二氧化碳、空氣溫濕度濃度，因此在本實驗中，為了采集數據信息，終端節點要攜帶二氧化碳傳感器和溫濕度傳感器。

2.2.1 溫濕度傳感器

SHT15具體工作原理為：溫度、濕度的數據信息分別通過溫度傳感器與濕度傳感器讀取到，而后會將相對溫度、濕度的信號相應發出，通過放大器將信號放大，放大的信號被A/D轉換器進行一系列處理，包括模數轉換、糾錯與校準，二線串行數字接口再把相對溫度與相對濕度的具體數據傳送給微處理器，最后通過微處理器完成非線性補償和溫度補償。

2.2.2 二氧化碳傳感器

本系統選用模塊型號為S_100的二氧化碳傳感器。該二氧化碳傳感器已經在精準農業、畜牧業、工業等領域得到廣泛應用，采用NDIR技術，無論是質量還是體積都很小。該模塊含有多種輸出端口，例如I2C、模擬量等，這使得模塊能夠滿足多種場所的安裝條件，更方便傳輸與讀取數據；同時，模塊還附帶容易拔取與安插的插針，為與其他設備連接提供條件。

2.3 繼電器模塊

繼電器作為一種電控器件常被用于自動控制電路當中，可實現自動控制電路中自動調節、電路轉換的功能。它具有電路隔離能力的自動化開關元件，可以根據控制電路的小電壓、電流等物理量有效地控制被控制電路的大電壓、電流等的通斷。繼電器的種類很多，大體上可分為固體型、時間型、極化型、舌簧型和電磁型等。它們都包括執行機構（輸出電路）、感應機構（接收輸入信號）和比較機構（提供比較量）3個部分。

圖2　CC2530外接電路圖

圖3　監控屏外觀

圖4　協調器建網流程圖

2.4 無線處理模塊

在本設計中，系統的驅動控制功能是利用芯片CC2530完成的，其外接電路圖如圖2所示。該芯片應用方便簡單，僅僅通過少數外接電路就能夠滿足不用功能的要求，通過RS232完成與PC機間的通信。CC2530內部集成了2個USART、6個定時器、21個通用GPIO、DMA控制器、12位ADC、AES處理器、USB2.0全速控制器等等，如圖2所示。

2.5 無線數傳模塊

本系統選用型號為KYL-1020L的無線數傳模塊實現遠程監控功能。該模塊由深圳科易連有限公司生產，體積小巧，功耗較低，雙向傳輸，適用于遠距離無線傳輸，具有超高穩定性與可靠性，接口方式為RS232，為監控數據信號提供了質量保證。

2.6 監控屏選型

MCGSTpc嵌入式一體化觸摸屏TPC7062K作為本系統的觸摸屏，由北京昆侖通態公司研制，操作方便，性能穩定，功耗較低，CPU亦為嵌入式。作為一種自帶微處理器的智能終端，TPC7062K具備計算機功能，運用Wince.NET操作系統，結合MCGS應用軟件。監控屏外觀如圖3所示。

3. 系統軟件設計

3.1 系統開發語言nesC

nesC語言是針對有限資源的無線傳感器網絡節點而研發的編程語言，將令組件化的設計思路和驅動事件的執行模式完美結合，開發人員的工作效率得到有效提高。

3.2 ZigBee無線傳感器網絡的構建

協調器作為網絡第一設備，在組建網絡過程中，要啟動整個網絡。上電后，首先要對協議棧和硬件進行初始化，對能量進行檢測，接下來將BeaCon信標發出，若有BeaCon響應，則表明在同一信道中還存在其他協調器。隨后它便會自動切換到下一個信道，然后重復上一過程，直至不再出現有關BeaCon的響應為止。搜索到空信道后，選擇某個隨機的個人網絡即可建立網絡。協調器建網流程如圖4所示。

3.3 傳感器節點程序設計

SHT15是數字式傳感器，通過I2C總線直接將溫濕度的值以數字量的形式輸出。通過設置數字程序以及結合輸出的溫度特性曲線，可利用公式（1）將數字輸出量轉換成溫度值，其中SOT為程序內預先設定的傳感器輸出的測量值，d1，d2是溫度補償系數，其值與傳感器的分辨率高低以及電源電壓大小相關。

濕度值則能夠被SHT15直接以數字量的形式輸出，但其輸出特性呈非線性，為了補償呈現出的非線性，可按如下公式對濕度值進行修正，其中SORH為傳感器測得的濕度值，C1、C2、C3為濕度補償系數：

二氧化碳傳感器控制命令寄存器的定義，控制命令寄存器由7Bit的設備地址與1Bit的讀寫控制位構成。二氧化碳傳感器地址是0X31，讀取數據時發送0X63，輸入數據時發送0X62。

4. 系統設備運行測試和分析

在制菌過程中，通過通風系統、空調系統來控制栽培室內的二氧化碳濃度、空氣溫度等環境參數。室內二氧化碳濃度變化與通風系統開關狀態見表1，溫度變化與空調系統開關狀態關系見表1。

表1　通風系統運行測試

通過分析表2中數據，制菌室室內二氧化碳濃度能夠被通風系統正確調控，并控制在參考范圍內，滿足菌種生長對二氧化碳的要求，保持室內空氣流通。

表2　空調系統運行測試

通過分析表2中數據，制菌室內溫度的變化能夠被空調系統正確調控，滿足黑木耳菌種生長對于室溫的要求。

結語

本設計結合黑木耳菌種在實際生產中的需求，結合ZigBee無線傳感器網絡、單片機控制等技術，搭建了一套食用菌栽培環境監控系統，能夠對制菌過程中的影響菌種生長的環境參數信息、各設備的運行狀態實時監控。試驗結果表明，本系統可以達到對制菌室內的環境實時監控的目的，滿足食用菌栽培環境需求，為農業生產提供了自動化的技術支持。

參考文獻

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中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A