基于无线射频模块杏鲍菇栽培环境监控系统开发*

赵 丽，朱学军

（宁夏大学机械工程学院，宁夏 银川 750021）

基于无线射频模块杏鲍菇栽培环境监控系统开发*

赵 丽，朱学军**

（宁夏大学机械工程学院，宁夏 银川 750021）

杏鲍菇属于低温结实菌类，是一种耐旱、适度好气的珍稀食用菌。它的生长繁殖过程是一个高级的物质生命运动过程，原基形成阶段，杏鲍菇对栽培环境中的温度、湿度以及CO2浓度等关键因子尤为敏感。为了形成杏鲍菇周年栽培过程中环境因子有效的调控机制，借助传感器、STC12C5A60S2单片机、NRF905无线射频模块以及LabVIEW上位机软件，研究开发了西北地区适用的珍稀食用菌栽培环境数字化信息监控平台，对关键环境因子进行自动、精准、远程、无线及分布式的监控，并对其数据进行实时存储。为设施环境下杏鲍菇生长发育模型的建立和节能型调控策略的形成提供了有效的技术支持，进而提升了杏鲍菇的栽培品质与产量。

杏鲍菇；环境因子；无线监控；NRF905；LabVIEW

宁夏南部山区以其特有的区域气候资源成为杏鲍菇的栽培基地之一。然而杏鲍菇复杂的生物学特性使得其在不同生长期对生长环境中各项环境因子要求苛刻[1]。原基形成期最适温度为10℃～18℃，最适空气相对湿度在80%～95%之间，CO2浓度应在500 mg·L-1～1 600 mg·L-1[2]。目前杏鲍菇生长环境因子调控机制尚不完善，严重影响了宁夏南部山区杏鲍菇的生长品质及产量，这成为制约杏鲍菇周年栽培技术形成及生长发育模型建立的一大难题[3]。因此，迫切需要构建一种小气候温室环境监控系统，以便及时了解温室内的环境状况，并自动、精准地采取有效措施进行实时调控，为杏鲍菇提供最适宜的生长环境，从而达到现代化管理、精准化作业、集约化栽培的目的。

传统的温室环境因子监控采用仪表结合人工经验操作的方法，存在耗时费力、监控范围小、监测周期长、不能实时反映温室环境动态变化的弊端[4]，串行总线、现场总线自动监测系统需要铺设大量的电缆线，且布线困难、施工难度大，且线路易受破坏和腐蚀、维护成本高、监测范围有限[5]。无线传感器网络具有智能化程度高、信息实效强、覆盖区域广、支持多路传感器数据同步采集、可扩展性好等特点[6]。目前，国内外已开展了无线传感器网络在温室气候监控相关方面的应用研究。基于传感器技术、组态技术、PLC技术设计的杏鲍菇菇棚物候环境控制系统，实现了菇棚环境数据的采集处理和监控[7]。利用多传感器信息融合技术、GPRS无线通信技术设计了杏鲍菇远程监控系统[8]。但上述监控系统均使用了采集器一体化设备，价格昂贵，存在不能根据实际需要自行设置采集参数等弊端。本文以杏鲍菇栽培环境中的温湿度、CO2浓度为监控目标，利用传感器、NRF905无线射频模块、STC12C5A60S2单片机开发了下位机数据采集系统，利用虚拟仪器Lab VIEW开发了上位机监控系统。能对菇棚环境参数进行实时采集，并通过无线射频模块将数据传输到上位机，相应处理后进行Excel存储。另外，上位机通过无线模块对各个采集节点的执行设备进行反向控制，真正实现了杏鲍菇栽培环境的自动化控制。

1 杏鲍菇无线监控系统总体结构

本系统主要由上位机、主机、NRF905无线射频模块、从机、传感器及相应的执行机构组成。总体结构如图1所示。主机和从机均由STC12C5A60S2单片机和NFR905无线射频模块组成，单片机和NRF905之间通过SPI协议实现通讯。从机接温湿度及CO2浓度传感器和相应的环境调控设备。主机和从机之间通过NRF905进行无线数据传输。主机和上位机之间通过TTL转USB转换接口实现串口通讯。系统上电后，传感器检测到菇棚内的温湿度及CO2浓度传送到从机，经过A/D转换及滤波处理后，从机将数据写入NRF905无线射频模块，经过天线无线传送到主机的NRF905无线模块，主机从无线模块读出数据，经过串口传送到上位机，上位机软件经相应的程序处理将数据转换成十进制数进行直观显示，并将数据按照设定的路径存储到EXCEL表格中。同时上位机将该数据与设定好的标准值进行比较，如果存在偏差，上位机将向串口发送相应的控制指令，主机接收到上位机发来的指令后，通过无线射频模块将指令发给从机，从机经过判断后控制对应继电器的状态，进而控制外部环境调控设备，实现反向控制。

2 无线监控系统硬件设计

2.1系统硬件总体设计

无线监控系统硬件主要是由传感器节点（所有从机）和汇聚节点（主机）组成的无线网络。传感器节点在硬件结构上由处理器模块、无线通讯模块、电源模块、传感器模块和环境调控设备构成。系统上电后，传感器将检测到的环境因子模拟信号送到单片机中，单片机经内部A/D转换器将其转换成数字信号，再经过均值滤波技术处理，使其稳定可靠。单片机通过SPI通讯协议将信号写入NRF905无线模块，通过天线发送出去，等待主机接收。汇聚节点要与监测中心PC机连接，在硬件结构上与传感器节点相比少了传感器模块和环境调控设备，多了串口通讯模块，其它模块设计与传感器节点相同。传感节点主要组成部分如图2所示。

图2 传感器节点硬件结构Fig.2 Hardware structure and principle diagram of sensor node

2.2系统主要硬件模块

2.2.1 处理器和无线射频模块

系统处理器采用STC生产的STC12C5A60S2单片机，该单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，内部集成SPI通讯模块和8路高速10位A/D转换器。无线通讯模块采用发射功率可调、低功耗的NRF905无线射频模块，其抗干扰能力强、传输距离远，可自动加载数据头，进行CRC校验。NRF905共有4种工作模式，2两种活动模式（ShockBurst RX接收和ShockBurst TX发送），2种节电模式（掉电和SPI编程、STANDBY和SPI编程）。其工作模式由TRX_CN、TX_EN、PWR_UP的设置来设定，设置方式如表1所示。

表1 NRF905工作模式设置Tab.1 NRF905 operating mode setting

2.2.2 传感器模块

传感器模块考虑到应用需求、成本等问题，采用DHT11温湿度传感器和LCO2-V1二氧化碳浓度传感器。所用传感器的性能指标如表2所示。

2.2.3 电源模块

电源模块考虑NRF905工作电压为1.9 V～3.6 V，DHT11温湿度传感器和单片机需5V直流电压，LCO2-V1二氧化碳浓度传感器需24V直流电压，。所以采用S-25-12和S-50-24开关电源，分别将220 V交流电转换成12 V和24 V直流电压，24 V直流电给二氧化碳浓度传感器供电，12 V直流电接到单片机开发底板的电源接口，开发板上的7805集成稳压器将其转换成5 V，供单片机和温湿度传感器使用，ASM1117芯片将单片机上的5 V电压转换成3.3 V，为NRF905提供电源。

表2 传感器性能指标Tab.2 Performance indicators of the sensors

3 系统软件设计

系统软件设计包括节点软件设计和上位机监控中心软件设计。节点软件主要用于实现数据采集、无线通讯，上位机监控软件用于实现数据自动存储和调控设备的自动控制和手动控制。

3.1系统节点软件设计

节点软件是基于51单片机Keilu Vision4开发环境，采用面向硬件操作的单片机C语言编程开发。节点软件包括传感器节点和汇聚节点软件。

3.1.1 汇聚节点软件设计

汇聚节点主要功能是对传感器节点传来的数据进行接收与整合，并在接到上位机的数据接收请求时，将数据发给上位机。同时将上位机发来的设备控制信息经过无线模块发给传感器节点。其程序设计流程如图3所示。在接收传感器节点发来的数据时，首先判断从机号，如果是1号从机，就将数据存入数据寄存器的前8位，如果是2号从机，数据存入数据寄存器的后8位。汇聚节点其他部分的软件设计与传感器节点类似。

3.1.2 传感器节点软件设计

传感器节点要按设定时间间隔，周期性地采集数据，因为系统选用的CO2浓度传感器输出0～5 V模拟电压信号，要将其转换成数字信号稳定传输，需对数据进行A/D转换和滤波处理，A/D转换采用单片机内部集成的10位A/D转换器实现。采用均值滤波技术，将A/D转换完成的5组数字信号求其平均值再进行传输。传感器节点程序设计包括主程序和中断服务子程序。主程序首先进行初始化，在串口初始化时允许定时器中断，开启定时器T0，再对无线通讯模块NRF905进行SPI接口寄存器配置，设置载波频段为430.0购员MHz、数据包不重发、允许十六位CRC校验等信息。中断子程序主要功能就是按照设定好的时间间隔，控制传感器节点周期性地采集数据，执行完中断程序后，返回继续执行主程序，定时器进入新一轮的定时。其程序流程如图4所示。

图3 汇聚节点程序设计流程图Fig.3 Program flow chat of aggregation node

图4 传感器节点主程序和中断程序流程图Fig.4 Main program and interrupt program flow chat of sensor nodes

3.2上位机监控中心软件设计

上位机监控中心软件采用LabVIEW虚拟仪器编程开发。图5为正在运行的杏鲍菇无线监控总界面。界面直观友好，能同时以曲线、仪表、表格的方式直观地显示实时数据，并能报警超限数据。监控中心软件设计主要包括前面板监控界面设计和后面板程序设计。程序设计包括串口通讯模块、数据转换及存储模块、环境调控设备控制模块。

图5 上位机监控系统总界面Fig.5 The general interface of the host computer monitoring system

3.2.1 串口配置及通讯协议

主机与上位机之间通过TTL转USB接口实现串口通讯。程序设计包括串口初始化和自定义串口通讯协议。串口初始化设置波特率为9 600、8位数据位、停止位为1。为了确保串口正常通讯，自定义了简单的通讯协议。上位机给主机发送2个字节信息，其中第1个字节作为两者的通讯识别字。主机接收到上位机发送的信息，首先按位判断第1个字节，如果全都匹配则正常通讯，否则通讯失败。另外，主机给上位机返回的数据是16个字节，上位机需要判断这16个字节中第0个和第1个是否分别为#和1，第8个和第9个字节是否分别为#和2，如果其中任何一个不对，均不能正常通讯。

3.2.2 数据转换及存储

上位机将主机发来的16个字节创建成一个一维数组，除了通讯协议中用掉的元素，其余的2个字节元素为一组，分别表示1号从机和2号从机的CO2浓度、温度、湿度值。将它们按对应位置截取出来，通过一定转换，变成十进制数，进行直观显示。并且通过相应的函数创建EXCEL表格，设置路径，将数据以EXCEL文件进行存储和管理。

3.2.3 调控设备控制程序设计

上位机控制模块包括自动控制和手动控制。其控制要求为：CO2浓度、温度、湿度分别控制在500 mg·L-1～1 600 mg·L-1、10℃～18℃、80%～95%。温度过高（低）时，温度上限（下限）报警灯亮，同时制冷机（加热器）开；湿度过高（低）时，湿度上限（下限）报警灯亮，同时开启（风机）喷淋器；杏鲍菇生长过程会不断释放CO2，因此只需考虑CO2不超过规定的上限。若超过上限，开启风机来降低菇棚内CO2浓度。控制程序流程如图6所示。

图6 上位机自动控制程序流程图Fig.6 Program flow chart of PC Automatic control

上位机发给主机信息中第2个字节是各个设备的控制指令。该字节的8个位中，前4位分别表示1号从机的风机、喷淋器、加热器和制冷机的状态，后4位分别表示2号从机的风机、喷淋器、加热器和制冷机的状态。每个设备的状态由手动控制按钮状态和实测值与设定值的比较状态取逻辑运算“或”来决定。比如手动按下制冷机开启按钮或实测温度值比设定值高，制冷机就会开启。上位机发送的控制指令如表3所示。

表3 控制指令查询表Tab.3 Query table of the control instructions

4 试验及结果分析

2014年10月16日到10月18日在宁夏彭阳县长城塬食用菌园区，对杏鲍菇栽培环境无线监控系统进行了实地试验，节点现场作业图如图7所示，上位机实时监控界面如图5所示。取2014年10月17日处于原基形成期的10号菇棚8:00～18:00系统的监测数据，如图8所示。

系统测得的数据曲线表明，系统稳定可靠，灵敏度高，数据存储和管理方便。为杏鲍菇原基形成期的生长发育创造了最佳的环境条件。

图7 节点现场作业图Fig.7 Node in field operation diagram

图8 环境参数曲线Fig.8 Curve of the environmental parameters

5 结论

本文利用NRF905无线射频技术、A/D转换及均值滤波技术、LabVIEW上位机监控技术、多传感器融合技术，基于STC12C5A60S2单片机和LabVIEW上位机软件成功设计了一套杏鲍菇栽培环境无线监控系统。该系统通过传感器节点获取杏鲍菇菇棚内温湿度及CO2浓度值，利用汇聚节点通过NRF905无线射频模块收集传感器节点检测的数据，并通过串口将数据传到上位机监控中心。上位机将系统实测值与设定值进行比较、判断，以相反的传输方向向传感器节点发送环境调控设备的控制指令。系统经反复试验及用于实际工程背景后，实现了以下功能：

传感器节点检测到的现场环境因子数据能够通过无线射频模块稳定、及时地传送到汇聚节点，整合后再发送到上位机，用户可以方便、直观地查询当前各个环境因子数据及其变化趋势；

完成了数据以EXCEL文件存储与管理方便后期进行数据分析；

利用LabVIEW实现了对超限环境数据相应设备的手动及自动控制，为杏鲍菇提供了最佳的生长发育环境。

[1]郭美英.珍稀食用菌杏鲍菇生物学特性的研究[J].福建农业学报，1998，13（3）：45-50.

[2]谢翠芳，邢坤，宁晓光，等.宁夏南部山区杏鲍菇温室环境远程监控系统设计 [J].农机化研究，2014，35（3）：93-97，101.

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Development of Pleurotus eryngii Cultivation Environment Monitoring System Based on Wireless Radio Frequency Module

ZHAO Li,ZHU Xue-jun
(Mechanical Engineering College of Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

Pleurotus eryngii belonged to the low temperature solid fungus，which was a kind of rare edible fungi drought,moderate aerobic.Growth and reproduction process of it was a matter of life sports advanced process,especially in the formative stages of primordia.Pleurotus eryngii was particularly sensitive to the key factor in the environment,such as temperature,humidity and concentration of CO2.In order to form the effective mechanism of regulation for control of the environmental factors in the process of Pleurotus eryngii anniversary cultivation,in this paper,the digital information monitoring platform for cultivation environment of rare edible fungus in northwest area were studied and developed,based on the sensor,microcontroller STC12C5A60S2,NRF905 wireless RF module and software of PC LabVIEW.It was achieved to automatic,accurate,wireless and distributed monitor the key environmental factors and its real-time data stored automatically.It provided an effective technical support for Pleurotus eryngii growth in the facility environment to establish growth model and format energy saving control strategy,so as to improve the quality and yield of Pleurotus eryngii cultivation.

Pleurotus eryngii;environmental factor;wireless monitoring;NRF905;LabVIEW

S646.1

A

1003-8310（2015）02-0023-06

10.13629/j.cnki.53-1054.2015.02.007

国家自然科学基金（61263007）；国家科技支撑计划课题（2013BDA16B04）。

赵丽（1989-），女，在读硕士研究生，主要研究方向为机电系统智能控制方面研究。E-mail:zhaoli408412@163.com

**通信作者：朱学军（1970-），男，硕士，教授，主要从事机电系统智能控制方面研究。E-mail:zhuxuejunnxu@sina.com

2015-01-18