基于ZigBee网络的食用菌环境监控系统设计

周恒瑞， 邱巨兵，许胜捷，郭 硕，周红标，马从国

(淮阴工学院，江苏淮安223001)

我国食用菌总产量已位居世界第一，人们对食用菌的需求量在不断增加。与发达国家食用菌产业高度自动化相比，我国食用菌产业发展不均衡，广大农村地区的食用菌生产主要来自家庭作坊式分散种植，生产规模小，信息化与自动化程度低。食用菌生长过程中受环境因素影响比较大，在其生长的各个阶段对环境参数的要求也不相同，为了提高产量和效益需要对其生长过程全程监控。菇农主要靠经验来调节食用菌生长环境参数，人力投入多，但食用菌的品质不高且产量不稳定，严重影响食用菌供应量和经济效益。针对食用菌生长环境特点国内学者开展了相关研究，高百惠等研究基于ZigBee技术的食用菌栽培环境监控系统并给出了自动化技术解决方案，韦树贡构建了基于ZigBee无线通信技术的大栅食用菌生长环境测控系统，杨恒耀等设计了基于ZigBee技术的食用菌生长环境监测与管理系统，沈金权开发了基于ZigBee的食用菌生长环境监控系统，尽管这些研究对降低菇农劳动力和提高生产效率有一定成效，但在降低环境监控成本、部署检测终端和可靠通信等方面仍不完善。鉴于此，笔者在前人研究基础上优化监控系统软硬件设计方案和检测终端节点空间位置，提高系统通信可靠性和经济效益，进一步降低监控系统成本等方面做有益的探索。

1 系统概述

ZigBee是工农业中应用广泛的无线传感网络，可以为食用菌生长环境感知提供便利，结合食用菌生产现状，充分利用ZigBee系统的资源优势，设计了食用菌工厂化生产环境智能监控系统。该系统由环境参数检测、传输和监控3层组成，实现对食用菌环境参数的自动化检测和智能调节，3层基本功能如下：①环境参数检测层，该层将无线传感网和食用菌生长环境参数感知相结合，由多个检测终端节点构成食用菌生长环境参数检测网络，通过合理部署多个检测终端节点立体采集食用菌环境的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度等参数，并通过ZigBee网络将检测参数传送到协调控制器；②数据传输层，该层通过路由节点和协调控制器节点对收集到的食用菌环境参数进行智能化处理，预测食用菌生长环境变化趋势，控制加湿器、通风机和加热器等设备的协作运行，调节环境的温湿度、CO浓度和光照度等，打包所有接收到的检测终端节点数据发到OneNET物联网平台；③监控层，该层通过构建OneNET物联网平台实现食用菌环境参数远程监控管理，菇农可以通过手机APP或电脑等智能终端实时查看OneNET物联网平台的数据，获知各检测参数情况、历史曲线、执行器运行状态，并可通过OneNET物联网平台下发用户命令到协调控制器节点调节现场执行设备，系统结构示意如图1所示。

2 系统硬件设计

监控系统硬件设计包括检测终端节点、路由节点和协调控制器节点3部分，检测终端节点负责食用菌房内的环境参数采集，路由节点和协调控制器节点负责信息传输与处理。由于食用菌生长环境变化相对平缓，数据处理压力较小，3种节点的处理器均采用CC2530， CC2530处理器可编程闪存可达256 KB，具有增强型8051内核，21 个通用I/O 引脚、8 路可配置分辨率的12 位ADC和2 个USART。为提高协调控制器与OneNET物联网平台之间数据传输的可靠性，采用2种方式相结合的通信方案，应用低功耗高性能的ESP8266WIFI模块实现WIFI通信， EC600S CAT1模组实现移动4G通信，WIFI通信模块和4G模组串口都经信号选择芯片ET7222与协调控制噐节点的串口1相连接，CC2530的普通I/O控制ET7222选通WIFI或移动4G模组。该移远通信的移动4G通信模组体积小、功耗低、成本低并且支持多种平台通信，可以非常方便地接入阿里云或OneNET物联网平台。检测终端节点具备自组网和采集食用菌房中的温湿度、光照度和二氧化碳浓度等参数功能，检测终端节点传感器主要包含DHT11温湿度传感器、CO浓度传感器MG812和光照传感器B-LUX-V30B，DHT11温湿度传感器具有精度高、成本低、测量功耗小等特点，CO浓度传感器测量范围0～10 000 mg/m,分辨率为30 mg/m，其对温湿度变化响应低、CO的选择性好并能适应现场各种恶劣环境，光照度传感器对光谱响应进行了优化，具有体积小、线性度好、抗干扰能力强等特点，分辨率为0.1 lx，可在3.3～5.5 V条件工作,满负荷工作电流0.7 mA。

图1 系统结构示意图Fig.1 Architecture of system

3 系统软件设计

监控系统软件由检测终端、协调控制器和监控中心OneNET软件构成，综合考虑食用菌环境远程监控的需求，系统软件采用模块化设计。检测终端软件实现食用菌生长环境参数的采集与传输，协调控制器节点实现对检测终端节点数据汇总、处理、人机交互显示，调节外部设备及数据的传输功能，监控中心OneNET软件具有解析、存储和显示食用菌生长环境参数并自动调节远程调控设备等功能，应用OneNET物联网云开放平台提供的使用向导即可完成 监控中心OneNET的开发。检测终端与协调控制器软件设计过程如下：

检测终端节点上电后自动搜寻并加入空间中的ZigBee网络，成功加入ZigBee网络后，启动检测终端节点上的传感器采集食用菌生长环境参数，通过ZigBee网络直接发送或通过路由节点中继发送数据到协调控制器节点。数据传送完成后检测终端节点进入休眠状态，结合食用菌房内环境和食用菌生长特点，系统设定的检测终端采集时间间隔为1 min，定时到自动唤醒检测终端节点再次采集数据并发送，如此循环。例如，入网失败则通过指示灯报警提示，检测终端节点程序流程如图2所示。

协调控制器节点既作为ZigBee网络的组织者又作为数据处理与数据传输的处理中心，协调控制器节点上电后通过标准函数完成系统硬件参数初始化，扫描信道并建立一个指定ID的ZigBee网络，接收加入网络的请求，节点成功加入网络则分配ID地址，接收并处理检测终端节点上传数据，如收到的环境参数超设定值且判定环境异常则启动调节设备并立即上传异常情况到OneNET物联网云平台，协调控制器运行过程中通过中断方式随时响应用户的控制指令，15 min上传1次检测数据和现场调控设备运行状态。协调控制器默认通过WIFI上传数据到OneNET物联网平台，如WIFI通信连续3次尝试失败自动切换到移动4G网络，如果连续3次尝试依然没有成功连接则启动本地报警，并在协调控制器OLED显示报警原因。协调控制器节点软件程序流程如图3所示。

图2 检测终端节点程序流程Fig.2 Work flow of end device

图3 协调控制器节点程序流程Fig.3 Work flow of coordination controller

4 终端节点布置

5 试验应用

2021年7月16日在淮安区某食用菌专业合作社的食用菌生长基地进行试验，该基地平菇菌房共有6间，选取其中2处面积接近的进行对比试验，试验菌房采用模糊控制+PI控制方式编号分别为1号试验菌房，对照菌房采用人工控制方式编号为1号对照菌房，此外试验菌房内布置了1个路由节点和1个协调控制器节点。试验菌房内安装了室内空气循环扇、湿帘、排气扇，对照菌房未做特别改造。试验菌房中的温度设定为16，CO浓度上限设定为1 000 mg/m，湿度设定为90%，光照设定为160 lx，试验菌房与对照菌房的环境参数变化对比图如图4所示：

图4为1号试验菌房和1号对照菌房10月27日1 d中环境参数变化曲线。图4a中1号试验菌房内温度相对稳定在适宜平菇生长的16.0 ℃，1号对照菌房温度波动较大，温度波动最大超过了5.5 ℃，与室外温度波动相近，严重影响平菇生长；图4b中1号试验菌房湿度保持在平菇子实体生长最佳范围，一直维持在90%，偏差不超过2%； 1号对照菌房人工控制湿度情况下湿度波动大，最高到96%，严重影响平菇籽子实体的生长并降低平菇品质；图4c中1号试验菌房CO浓度在允许范围内波动，有利于平菇子实体生长， 1号对照菌房CO浓度波动大，上升最高超过1 300 mg/m达到有害浓度；图4d中1号试验菌房光照维持在150 lx， 1号对照菌房因菇农的活动和室外光照变化导致光照量相对增加，从而使平菇的颜色加深且品质降低。经过近4个月的试运行，测试表明该监控系统可以适应平菇不同生长阶段需要，有效调节食用菌房环境参数和提高平菇生产的效益。

6 结论

该研究探讨了基于ZigBee的食用菌生长环境无线自动监控技术，通过优化软硬件及检测节点部署提高了监控系统的性能，该系统可以为中小规模食用菌生产提供自动化控制支持，试验结果表明该系统可以有效地对平菇生长环境调控。可通过调整系统的控制参数适应其他菌类的生产，降低菇农的劳动力提升收益。

图4 平菇菌房环境参数变化对比图Fig.4 Comparison of environmental parameters in edible fungus room