食用菌生长库远程监控系统的研制开发

於 锋 孙龙霞 周学剑 何 毅 李 健

0 引言

食用菌富含蛋白质、维生素和多种人体所必需的氨基酸，营养丰富，味道鲜美可口；同时还具有很高的药用价值，受到消费者的青睐。近年来，江苏省食用菌生产迅猛发展，而相对于食用菌生产企业规模的扩大和对安全生产的需求，食用菌生长环境监测技术显得比较落后，仍停留在基本的温湿度监测上。因此，研究开发可实时监测生长库体内的生长参数，使其具备远程图像信息和数据信息的监控功能，并能记录、处理历史数据的食用菌工厂化生产智能控制系统，具有一定的现实意义。

1 整体方案设计

如图1所示，整个系统由食用菌生长环境实时监测器、互联网数据传输模块和网页监控平台组成，可实现生长库体内部温度、湿度、CO2含量、光强等多种生长环境因素的准确采集显示，采集的数据和图像实时发送至数据传输模块，数据传输模块及时更新互联网平台数据库，网页监控平台从互联网平台数据库提取数据，实时远程显示食用菌生长库内环境参数，通过集成的专家决策系统远程监控生长环境，存储记录关键生长点历史环境数据。

图 1 系统整体结构图

2 硬件电路的设计及远程数据传输的实现

核心处理器选用STM32F103VE芯片（见图 2），此芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置高速存储器，80个通用增强I/O端口，片上包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、1个USB和1个CAN。JTAG调试接口可满足在线调试的需求。

图 2 STM32F103VE芯片

传感器单元包含环境监测所需的各个传感器模块，包括温湿度模块、CO2模块、光照模块。温湿度模块采用瑞士SHT10温湿度模块，它是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出，传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接，具有超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点，测量的湿度精度±4.5%，温度精度±0.5℃，能够满足食用菌生长的要求。CO2模块选用MH-Z14 NDIR 红外气体小模组，它利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CO2进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，寿命长。内置温度传感器，可进行温度补偿；同时，可进行数字输出与模拟电压输出，方便使用。MH-Z14测量范围为0～10 000 ppm（量程可选择），精确度达±50 ppm±读数5%，响应时间小于30s，预热时间为3 min，使用寿命在5年以上。光照模块选用BH1750FVI，它是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路，支持I2C接口，输入光的范围广，受红外线影响很小，误差变动范围小。选用的传感器单元如图 3所示。

图 3 各传感器模块

远程数据传输选用ENC28J60独立以太网控制芯片，它可作为任何配备有SPI的控制器的以太网接口。ENC28J60符合IEEE802.3的全部规范，采用了一系列包过滤机制对传入数据包进行限制。它与主控制器的通信通过两个终端引脚和SPI实现，数据传输速率高达10 MB/s。两个专用的引脚用于连接LED，进行网络活动状态指示。图 4为远程数据传输模块电路图。

3 底层软件设计开发

底层电路主要实现现场环境参数的采集、显示、网络数据的传输和控制设备等功能，在各模块初始化后对食用菌生长库内环境参数进行采集，利用芯片上RTC功能读取时间，将环境参数及时间显示在现场7寸液晶屏上，然后将这些数据上传至指定的网络数据库，同时查询是否接收到远程操作指令。完成了一系列数据操作后，判断数据是否在食用菌生长工艺范围内，如需要调节环境则控制相应的设备调节环境参数。

4 远程客户端设计

为实现直观的远程监控以及良好的平台适应性，食用菌生长库远程监控平台采用网页形式，网页内容包括数据实时采集、显示，食用菌库内生长环境的参数管理。网络终端可实时浏览库内环境数据，并为用户提供多种数据查寻方式，生成报表，进行一些日常管理，以便用户能全方位地了解食用菌生长的状态，为下一步工作提供可靠的数字依据。界面大致如图 5所示。

图 4 远程数据传输模块电路图

图 5 远程网页客户端

5 结语

该系统样机已开发完成，并在江苏省农机具开发应用中心创建的“果蔬冷藏保鲜与设施食用菌生产技术研发基地”进行试验。试验表明样机基本达到预期目标，实际环境数据的远程监测延时1min左右，不会对生产造成影响。数据传输受到的干扰较小，出现个别丢包现象，将在下一步工作中进行改进。此外，系统的运用提高了生产企业的管理效率，降低了生产风险，提高了企业的经济效益。

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