基于物聯網的食用菌遠程監控系統設計

楊秀增 宋俊慷 韋樹貢 李海生

摘 ?要：針對人工栽培食用菌技術落后現狀，利用物聯網技術和現代控制技術設計一款食用菌遠程監控系統。系統由數據采集節點、數據集中器和遠程數據中心三大部分組成。數據采集節點由CC2530單片機、藍牙通信模塊、數據顯示模塊和工業級的傳感器等電路組成;數據集中器由CC2530單片機、ARM控制器、LCD顯示器和GPRS通信模塊組成。通過移植TI公司的Zstack2007協議棧實現各節點組網。數據采集節點把采集數據通過無線方式發到數據集中器，數據集中器通過GPRS通信模塊發到遠程數據中心。測試結果表明，本系統工作穩定、滿足設計要求。

關鍵詞：物聯網;CC2530;遠程監控;食用菌

中圖分類號：TN98 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0005-04

Abstract： In view of the backward technology of artificial cultivation of edible fungi， a remote monitoring system of edible fungi is designed by using Internet of things technology and modern control technology. The system consists of three parts： data acquisition node， data concentrator and remote data center. The data acquisition node is composed of CC2530 single chip microcomputer， Bluetooth communication module， data display module and industrial sensor; the data concentrator is composed of CC2530 single chip microcomputer， ARM controller， LCD display and GPRS communication module. The network of each node is realized by porting the Zstack2007 protocol stack of TI Company. The data acquisition node sends the collected data to the data concentrator wirelessly， and the data concentrator sends it to the remote data center through the GPRS communication module. The test results show that the system works stably and meets the design requirements.

Keywords： Internet of things; CC2530; remote monitoring; edible fungi

引言

食用菌不僅菌營養豐富，還含有具有抗癌作用的多糖生物活性物質，是人們理想綠色保健食品[1-3]，聯合國糧農組織和世界衛生組織曾經提出把“一葷一素一菌”作為人類最佳的飲食結構。我國雖然是世界上食用菌人工栽培技術最早的國家，但是食用菌的生產產量，無法滿足人們對食用菌的需求。主要原因是因為我國栽培食用菌技術還比較落后[4-5]，生產成本高，因此，利用現代生產技術和管理方法，改善傳統食用菌栽培模式，增高食用菌生產效益迫在眉睫。

針對以上情況，本文利用物聯網技術[5-8]和智能控制技術，設計一套食用菌生長監控系統[9-10]，實現食用菌生長環境自動控制和管理，提高食用菌栽培產量，使傳統的食用菌栽培提質增效。

1 系統設計總框圖

圖1，為本系統的系統總體設計框圖。為了降低布線成本和提高可靠性，本系統采用無線通信技術和星狀網絡拓撲結構進行設計。由圖1可知，本設計由數據采集節點，數據集中器和監控數據中心3大部分組成。數據采集節點由傳感器及執行單元和CC2530單片機組成;數據集中器主要由CC2530單片機、ARM控制器、LCD顯示器和GPRS通信模塊組成。數據集中器中的CC2530單片機運行協調器程序，負責建立無線網絡。當協調器成功建立網絡后，向周圍空間周期性廣播網絡存在信息包。當采集節收到網絡信息包時，向協調器發送加入網絡請求。當協調器收到請求后，分配一個網絡地址給采集節點，讓其成為網絡中一員。當采集節點成功加入網絡之后，采集節點通過傳感器采集溫度、濕度、二氧化碳等數據，并把這些數據發送到協調器。協調器收到各節點數據時，通過GPRS網絡把數據發送到監控數據中心，監控數據中心對數據進行分類和管理。

2 硬件設計

2.1 采集節點硬件設計

圖2為本系統的采集節點硬件設計原理框圖，主要由工業級傳感器（光照傳感器、CO2傳感器和溫濕度傳感器）、RS485接口、CC2530控制器、數碼驅動芯片TM1650、數碼管顯示模塊、電流驅動芯片ULN2003、繼電器和藍牙通信模塊組成。在設計本系統時，為了提高可靠性，選用工業級別的光照、CO2和溫濕度傳感器。由于這些傳感器均采用RS485 Modbus通信協議，為了實現CC2530控制器與傳感器之間通信，要設計RS485接口電路，如圖2所示，RS485接口芯片的1、4引腳為信號輸出和輸入腳，RS485接口芯片的2、3引腳數據傳輸方向控制引腳。數碼管顯示模塊用于顯示濕度、濕度、CO2深度和光照數據值。藍牙通信模塊為本系統的輸入模塊，用戶可以通過手機的藍牙模塊與本模塊通信，通過運行手機APP程序，可以方便的修改本系統的控制參數值。TM1650是一款數碼管專用驅動芯片，其內置一個標準串行通信接口。繼電器的正常工作時，需要幾十毫安的驅動電流，而CC2530的I/O驅動能力非常有限，因此，在本系統中采用一片ULN2003大電流驅動芯片來驅動繼電器工作。在CC2530單片機中運行采集節點協議棧，當成功加入網絡之后，節點周期性的采集環境參數數據，并把數據發回數據采集器。

2.2 數據集中器硬件電路設計

圖3為本系統的數據集中器硬件設計框圖，采用以ARM為控制器的設計結構。數據集中器主要由ARM控制器、SDRAM儲存器、FLASH儲存器、SD卡、USB通信接口、觸摸屏顯示器、UART接口、GPRS通信模塊、CC2530單片等組成。ARM控制器選用了三星公司的S3C2440A處理器;SDRAM存儲器采用HY57V561620存儲芯片，其容量擴充到2MB;FLASH儲存器采用K9F1208存儲芯片，其容量大小為512M，其作用是，儲存嵌入式系統中部分代碼和數據。SD卡是數據集中器的外部存儲設備，作為本地存儲設備，其作用是，能把終端采集到的數據保存一段時間，方便用戶查詢。在S3C2440A芯片上有3個互相獨立的異步UART口，一個分配給CC2530單片機，一個分配給GPRS通信模塊，另一個分配給MAX232 PC機串口。GPRS通信模塊采用安信可公司的A6 GPRS芯片，支持GPRS數據業務，最大下載數據速率高達85.6Kbps，上傳數據速率高達42.8Kbps。在A6 GPRS芯片中還內置TCP/IP通信協議，并支持通過AT命令對GPRS模塊進行配置。

數據集中器的CC2530單片機運行協調器協議棧，負責網絡的建立、維護和接收采集節點發回的數據。當CC2530單片機接收完所有節點數據后，把所有的數據以數據包形式通過串行通信口發給ARM處理器。ARM處理器接收到數據之后，一方面把數據存儲在本地的SD卡里，一方面把這些數據通過GPRS發到遠程的數據監控中心，為用戶提供遠程的網絡數據服務。

3 軟件設計

3.1 協調器程序設計

在數據集中器的CC2530單片機中，要運行協調程序來實現網絡的建立和維護網絡等功能。圖4為本系統的協調器程序的流程圖，它是通過移植TI公司的Zstack2007協議棧實現的。當CC2530單片機上電時，單片機執行初始化程序，然后單片機向協議棧的ZDO和NWK層發送建立網絡請求。ZDO和NWK層響應請求，并建立網絡。當建立網絡之后，CC2530單片機協調器周期性廣播網絡數據包，判斷是否有節點申請加入網絡，如果有新的節點申請，協調器給新節點隨機分配一個唯一的16位短地地址，讓新節點成為網絡中一員。然后協調器判斷是否有收到新的數據，如果有新的數據，設置串口傳送數據事件，讓操作系統把數據以一定的格式傳給ARM處理器。

3.2 采集節點程序設計

在采集節點的CC2530單片機上要運行無線網絡采集節點程序，圖5為采集節點程序設計的流程圖，單片機CC2530上電時，CC2530執行初始化程序，并判斷在其周圍是否存在無線傳感器網絡，如果周圍存在網絡，向無線網絡的協調器發送申請加入網絡請求，采集節點一旦加入成功，采集節點馬上設置數據采集事件讓操作系統采集數據，當操作系統完成采集后，再設置數據發送事件，讓操作系統把采集到的數據發到協調器。

3.3 遠程監控中心程序設計

遠程監控中心程序設計采用JAVA和Access數據庫進行開發，實現網絡的連接和數據接收、分析和處理等。

4 系統測試

根據以上原理設計系統，并開始對系統的可靠性和穩定性測試。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，其精度高防水性能好。在本次測試中，共設計5個采集節點和1個數據網關進行測試。采集節點每隔1分鐘采集一次數據，并把數據發到數據集中器，數據集中器每隔10分鐘把所有節點數據發到遠程監控中心，圖6是利用智能手機查詢光照傳感器采集的光照數據界面，圖7為溫度傳感器采集的溫度數據，從測試結果看出，系統工作穩定，滿足設計要求。

5 結束語

食用菌營養豐富，是理想綠色保健食品，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。利用現代技術升級改造食用菌行業，是提高食用菌效益重要途徑。本文利用物聯網技術和智能控制技術，設計一套食用菌生長監控系統，實現食用菌生長環境自動控制和管理，有利于提高食用菌栽培產量，使傳統的食用菌栽培提質增效。

參考文獻：

[1]嚴志雁，丁建，陳桂鵬，等.基于物聯網的食用菌環境智能控制系統研究[J].江西農業學報，2019，31（12）：105-113.

[2]李建軍，姜永成，孟慶祥，等.基于物聯網木耳栽培控制系統[J].中國農機化學報，2018，39（8）：92-96.

[3]秦琳琳，陸林箭，石春，等.基于物聯網的溫室智能監控系統設計[J].農業機械學報，2015，46（3）：261-267.

[4]廖建尚.基于物聯網的溫室大棚環境監控系統設計方法[J].農業工程學報，2016，32（11）：233-243.

[5]葛華，湯曉燕.基于CC2530的溫濕度無線數據采集[J].沙洲職業工學院學報，2019，22（1）：11-14.

[6]陳克濤，張海輝，張永猛，等.基于CC2530的無線傳感器網絡網關節點的設計[J].西北農林科技大學學報（自然科學版），2014，42（5）：183-188.

[7]蔡俊豪，曹廣忠，彭業萍，等.基于CC2530與CC3200的室內環境監測系統設計[J].現代電子技術，2019，42（10）：71-74.

[8]張慶輝，祝志遠，齊仁龍，等.基于CC2530和嵌入式Web服務器的智能灌溉系統[J].中國農機化學報，2016，37（7）：161-165.

[9]楊秀增.大功率太陽能LED路燈恒流驅動電源設計[J].現代電子技術，2017，40（6）：168-170.

[10]陳桂鵬，嚴志雁，瞿華香，等.基于Android手機的農業環境信息采集系統設計與實現[J].廣東農業科學，2014，41（13）：178-

181，219.