基于物联网的食用菌远程监控系统设计

杨秀增 宋俊慷 韦树贡 李海生

摘  要：针对人工栽培食用菌技术落后现状，利用物联网技术和现代控制技术设计一款食用菌远程监控系统。系统由数据采集节点、数据集中器和远程数据中心三大部分组成。数据采集节点由CC2530单片机、蓝牙通信模块、数据显示模块和工业级的传感器等电路组成;数据集中器由CC2530单片机、ARM控制器、LCD显示器和GPRS通信模块组成。通过移植TI公司的Zstack2007协议栈实现各节点组网。数据采集节点把采集数据通过无线方式发到数据集中器，数据集中器通过GPRS通信模块发到远程数据中心。测试结果表明，本系统工作稳定、满足设计要求。

关键词：物联网;CC2530;远程监控;食用菌

中图分类号：TN98 文献标志码：A         文章编号：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

食用菌不仅菌营养丰富，还含有具有抗癌作用的多糖生物活性物质，是人们理想绿色保健食品[1-3]，联合国粮农组织和世界卫生组织曾经提出把“一荤一素一菌”作为人类最佳的饮食结构。我国虽然是世界上食用菌人工栽培技术最早的国家，但是食用菌的生产产量，无法满足人们对食用菌的需求。主要原因是因为我国栽培食用菌技术还比较落后[4-5]，生产成本高，因此，利用现代生产技术和管理方法，改善传统食用菌栽培模式，增高食用菌生产效益迫在眉睫。

针对以上情况，本文利用物联网技术[5-8]和智能控制技术，设计一套食用菌生长监控系统[9-10]，实现食用菌生长环境自动控制和管理，提高食用菌栽培产量，使传统的食用菌栽培提质增效。

1 系统设计总框图

图1，为本系统的系统总体设计框图。为了降低布线成本和提高可靠性，本系统采用无线通信技术和星状网络拓扑结构进行设计。由图1可知，本设计由数据采集节点，数据集中器和监控数据中心3大部分组成。数据采集节点由传感器及执行单元和CC2530单片机组成;数据集中器主要由CC2530单片机、ARM控制器、LCD显示器和GPRS通信模块组成。数据集中器中的CC2530单片机运行协调器程序，负责建立无线网络。当协调器成功建立网络后，向周围空间周期性广播网络存在信息包。当采集节收到网络信息包时，向协调器发送加入网络请求。当协调器收到请求后，分配一个网络地址给采集节点，让其成为网络中一员。当采集节点成功加入网络之后，采集节点通过传感器采集温度、湿度、二氧化碳等数据，并把这些数据发送到协调器。协调器收到各节点数据时，通过GPRS网络把数据发送到监控数据中心，监控数据中心对数据进行分类和管理。

2 硬件设计

2.1 采集节点硬件设计

图2为本系统的采集节点硬件设计原理框图，主要由工业级传感器（光照传感器、CO2传感器和温湿度传感器）、RS485接口、CC2530控制器、数码驱动芯片TM1650、数码管显示模块、电流驱动芯片ULN2003、继电器和蓝牙通信模块组成。在设计本系统时，为了提高可靠性，选用工业级别的光照、CO2和温湿度传感器。由于这些传感器均采用RS485 Modbus通信协议，为了实现CC2530控制器与传感器之间通信，要设计RS485接口电路，如图2所示，RS485接口芯片的1、4引脚为信号输出和输入脚，RS485接口芯片的2、3引脚数据传输方向控制引脚。数码管显示模块用于显示湿度、湿度、CO2深度和光照数据值。蓝牙通信模块为本系统的输入模块，用户可以通过手机的蓝牙模块与本模块通信，通过运行手机APP程序，可以方便的修改本系统的控制参数值。TM1650是一款数码管專用驱动芯片，其内置一个标准串行通信接口。继电器的正常工作时，需要几十毫安的驱动电流，而CC2530的I/O驱动能力非常有限，因此，在本系统中采用一片ULN2003大电流驱动芯片来驱动继电器工作。在CC2530单片机中运行采集节点协议栈，当成功加入网络之后，节点周期性的采集环境参数数据，并把数据发回数据采集器。

2.2 数据集中器硬件电路设计

图3为本系统的数据集中器硬件设计框图，采用以ARM为控制器的设计结构。数据集中器主要由ARM控制器、SDRAM储存器、FLASH储存器、SD卡、USB通信接口、触摸屏显示器、UART接口、GPRS通信模块、CC2530单片等组成。ARM控制器选用了三星公司的S3C2440A处理器;SDRAM存储器采用HY57V561620存储芯片，其容量扩充到2MB;FLASH储存器采用K9F1208存储芯片，其容量大小为512M，其作用是，储存嵌入式系统中部分代码和数据。SD卡是数据集中器的外部存储设备，作为本地存储设备，其作用是，能把终端采集到的数据保存一段时间，方便用户查询。在S3C2440A芯片上有3个互相独立的异步UART口，一个分配给CC2530单片机，一个分配给GPRS通信模块，另一个分配给MAX232 PC机串口。GPRS通信模块采用安信可公司的A6 GPRS芯片，支持GPRS数据业务，最大下载数据速率高达85.6Kbps，上传数据速率高达42.8Kbps。在A6 GPRS芯片中还内置TCP/IP通信协议，并支持通过AT命令对GPRS模块进行配置。

数据集中器的CC2530单片机运行协调器协议栈，负责网络的建立、维护和接收采集节点发回的数据。当CC2530单片机接收完所有节点数据后，把所有的数据以数据包形式通过串行通信口发给ARM处理器。ARM处理器接收到数据之后，一方面把数据存储在本地的SD卡里，一方面把这些数据通过GPRS发到远程的数据监控中心，为用户提供远程的网络数据服务。

3 软件设计

3.1 协调器程序设计

在数据集中器的CC2530单片机中，要运行协调程序来实现网络的建立和维护网络等功能。图4为本系统的协调器程序的流程图，它是通过移植TI公司的Zstack2007协议栈实现的。当CC2530单片机上电时，单片机执行初始化程序，然后单片机向协议栈的ZDO和NWK层发送建立网络请求。ZDO和NWK层响应请求，并建立网络。当建立网络之后，CC2530单片机协调器周期性广播网络数据包，判断是否有节点申请加入网络，如果有新的节点申请，协调器给新节点随机分配一个唯一的16位短地地址，让新节点成为网络中一员。然后协调器判断是否有收到新的数据，如果有新的数据，设置串口传送数据事件，让操作系统把数据以一定的格式传给ARM处理器。

3.2 采集节点程序设计

在采集节点的CC2530单片机上要运行无线网络采集节点程序，图5为采集节点程序设计的流程图，单片机CC2530上电时，CC2530执行初始化程序，并判断在其周围是否存在无线传感器网络，如果周围存在网络，向无线网络的协调器发送申请加入网络请求，采集节点一旦加入成功，采集节点马上设置数据采集事件让操作系统采集数据，当操作系统完成采集后，再设置数据发送事件，让操作系统把采集到的数据发到协调器。

3.3 远程监控中心程序设计

远程监控中心程序设计采用JAVA和Access数据库进行开发，实现网络的连接和数据接收、分析和处理等。

4 系统测试

根据以上原理设计系统，并开始对系统的可靠性和稳定性测试。温湿度、CO2传感器和光照传感器选用普锐森社工业级别传感器，其精度高防水性能好。在本次测试中，共设计5个采集节点和1个数据网关进行测试。采集节点每隔1分钟采集一次数据，并把数据发到数据集中器，数据集中器每隔10分钟把所有节点数据发到远程监控中心，图6是利用智能手机查询光照传感器采集的光照数据界面，图7为温度传感器采集的温度数据，从测试结果看出，系统工作稳定，满足设计要求。

5 结束语

食用菌营养丰富，是理想绿色保健食品，越来越受到人们的喜爱。然而目前我国的食用菌生产技术比较落后，产量不高。利用现代技术升级改造食用菌行业，是提高食用菌效益重要途径。本文利用物联网技术和智能控制技术，设计一套食用菌生长监控系统，实现食用菌生长环境自动控制和管理，有利于提高食用菌栽培产量，使传统的食用菌栽培提质增效。

参考文献：

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181，219.