基于Wi-Fi的马铃薯贮藏环境测控系统设计与应用

赵正军 王福平 潘杰

摘要：使用Wi-Fi无线网络构建一套适用于马铃薯贮藏环境的参数采集与控制系统。给出系统的总体设计方案，系统由Wi-Fi无线网络、控制中心主机、远程客户端等组成。详细阐释系统的硬件与软件设计方法，针对Wi-Fi无线网络的构建提出2种基于ESP8266的Wi-Fi无线组网与传输方案，可分别适用于小型、中大型贮藏环境测控系统。根据应用情况，该系统搭建简单，能够实现对马铃薯贮藏室环境的实时检测与控制，保证了马铃薯的贮藏品质，本系统对发展开拓马铃薯贮藏技术也具有现实意义。

关键词：Wi-Fi;物联网;马铃薯;贮藏环境;无线网络;测控系统

中图分类号： S126;TP273+.5  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0233-05

如今，农产品的生产加工过程向着安全、绿色的方向发展，在这一过程中，贮藏保存是其中重要的环节之一。贮藏环境和条件作为影响农产品保存期限和食用價值的重要因素[1]，受到了越来越多的关注。我国是世界上种植马铃薯面积最大的国家，对马铃薯的贮藏保存仍以传统的窑藏方式为主，人为干预因素较少[2]，从而导致马铃薯在贮藏过程中容易产生生芽，腐烂现象。为保证马铃薯的贮藏品质，针对我国北方地区广泛采用半地下式马铃薯贮藏室（窖）的特点，本研究基于32位无线SOC ESP8266以及增强型51单片机STC15，设计马铃薯贮藏室环境测控系统，通用Wi-Fi构建的无线网络实现对贮藏环境各项参数的实时监测和实时控制，大大降低了马铃薯贮藏期间的损坏率[3]。

作为物联网技术在马铃薯贮藏上的应用，吴琼等提出了一种基于ZigBee的马铃薯储藏环境监测系统[4]，贾倩民等提出了一种基于通用分组无线服务技术（general packet radio service，简称GPRS）的马铃薯贮藏环境监控系统[2]，这些系统均实现了对贮藏环境参数的有效采集或有效调节，但在实际应用中，ZigBee存在着传播距离近、数据信息传输速率低、室内空间信号衰减严重等问题，GPRS则存在着数据传输成本高、无法组网传输等缺点。马铃薯贮藏室在空间上一般是多个贮藏室并行排列，对无线网络的信号强度和无线信号的网状传播方式有着较高的要求。Wi-Fi作为目前一种广泛应用的无线网络方式，技术成熟、成本低廉、普及率高，并且有传输范围广、传输速率快、组网方便的特点，适用于室内空间无线数据传输。鉴于此，本研究设计基于Wi-Fi的马铃薯贮藏环境检测与控制系统，并详细介绍Wi-Fi方式下无线网络的构建方法。

1 系统工作原理及结构

1.1 系统工作原理

基于Wi-Fi的马铃薯贮藏环境测控系统由环境参数实时检测与环境参数自动调控等2个部分构成。通过分布于贮藏室内的感知与控制终端节点，实时采集贮藏室内各种影响马铃薯贮藏品质的关建环境因子，如温度、湿度、CO2浓度等[2，5-6]，然后通过Wi-Fi无线网络将采集到的传感器参数传送到控制中心主机，由控制中心主机来实时显示各种参数以供工作人员查看，并通过设定的控制算法及策略，由主机对环境参数进行分析和处理，作出相应的环境调节对策，将对策转化为控制命令再经由Wi-Fi网络下发到终端节点，终端节点依照命令通过电路接口来控制贮藏室调节设备，如冷风机、除湿机、自然风机等。如此过程不断循环，从而让贮藏室环境保持在一个适宜马铃薯保存的区间范围内。通过控制中心主机搭建web服务器，借助于因特网，工作人员可以远程通过手机APP或者网站来实时查看贮藏室环境参数信息，设置控制参数，实现远程手动控制等功能。

1.2 系统结构

整个贮藏环境测控系统主要由贮藏室环境参数感知与控制节点、各种调节设备、Wi-Fi无线网络、无线路由器、控制中心主机、因特网、手机APP、远程客户端等组成。选用深圳市安信可科技有限公司推出的ESP8266模块来构建无线 Wi-Fi 数据传输网络，采集与控制节点上集成温度、湿度、CO2浓度传感器来检测各种环境参数数据。节点控制核心采用STC公司的STC15系列增强型51单片机，实现节点的传感器采集和环境调节命令的控制。整个Wi-Fi无线网络的数据经过一台无线路由器，上传到同样与路由器相连接的控制中心主机计算机，主机计算机一方面将收到的数据通过上位机软件界面实时显示，供现场工作人员查看，另一方面将数据存储到数据库，提供web服务器服务以便远程通过手机APP或客户端实时监测，并结合各种控制模型和算法，对数据进行集中分析和处理，产生相应的环境调节命令。命令经由无线路由器和Wi-Fi网络下发至终端节点，由终端节点对整个贮藏室环境参数作出调节。系统结构如图1所示。

2 系统设计

2.1 采集与控制节点设计

采集与控制节点是整个Wi-Fi无线传感与控制网络构建的重要要素，它负责与无线路由器一起搭建整个系统的 Wi-Fi 无线网络，并承担采集数据、传输数据、执行调节命令的任务。

2.1.1 节点硬件设计 采集与控制节点的电路框架如图2所示，由主控STC15单片机、ESP8266 Wi-Fi模块、温湿度传感器、CO2浓度传感器、调节设备控制接口及其他外围电路组成。主控单片机选择宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2单片机，片载2组独立高速异步串行通信接口UART，可分别用于CO2浓度传感器以及ESP8266模块的串口通信。Wi-Fi模块采用安信可公司的ESP8266-12F Wi-Fi模块，支持标准的IEEE802.11 b/g/n Wi-Fi协议，内部含有完整的 TCP/IP 协议栈，用AT指令配置并通过串口通信使用。CO2浓度传感器选择郑州炜盛电子科技有限公司的MH-Z14A CO2浓度传感器，其内部通过非色散红外原理对空气中的CO2浓度进行检测，以串口方式进行数据通信，与STC15单片机之间的数据通信帧可使用求和校验。温度与湿度采集选用DHT11温湿度一体化数字传感器，其内部利用电阻元件测量温度和湿度，与单片机之间采用单总线数字信号通信方式。对贮藏室调节设备的控制，由STC15单片机的IO接口结合光耦驱动继电器来实现调节设备的控制。