ZigBee技术在木耳制菌环境监控系统中的应用

方案

系统由远程监控平台、数据采集平台以及现场监控平台3部分组成。为了实时采集环境参数数据信息，需要将温湿度传感器与二氧化碳传感器分别与终端ZigBee节点相连，通过ZigBee网络将数据上传至协调器中，MCGS监控触摸屏来接收协调器汇总传送的数据，对数据做出判断，决定是否改变自动喷淋系统、通风系统及制菌室内空调系统的开关状态。然后将控制指令返回给协调器来控制相应继电器的开关状态，使得制菌室内的环境状况能够实现智能调控以及食用菌制菌过程环境监控的自动化。并且可以通过MCGS触摸屏来实现现场情况的实时查看，各设备工作状态的了解，各参数信息的掌握。现场数据亦可通过无线模块传送至远端主控制机上，实现系统的远程监控。系统整体模拟图如图1所示。

2. 系统硬件设计

2.1 传感器模块选型

在制菌生产过程中，为了使菌种的质量和产量得到保证，需要监测对菌种生长起着重要影响的参数，包括二氧化碳、空气温湿度浓度，因此在本实验中，为了采集数据信息，终端节点要携带二氧化碳传感器和温湿度传感器。

2.2.1 温湿度传感器

SHT15具体工作原理为：温度、湿度的数据信息分别通过温度传感器与湿度传感器读取到，而后会将相对温度、湿度的信号相应发出，通过放大器将信号放大，放大的信号被A/D转换器进行一系列处理，包括模数转换、纠错与校准，二线串行数字接口再把相对温度与相对湿度的具体数据传送给微处理器，最后通过微处理器完成非线性补偿和温度补偿。

2.2.2 二氧化碳传感器

本系统选用模块型号为S_100的二氧化碳传感器。该二氧化碳传感器已经在精准农业、畜牧业、工业等领域得到广泛应用，采用NDIR技术，无论是质量还是体积都很小。该模块含有多种输出端口，例如I2C、模拟量等，这使得模块能够满足多种场所的安装条件，更方便传输与读取数据；同时，模块还附带容易拔取与安插的插针，为与其他设备连接提供条件。

2.3 继电器模块

继电器作为一种电控器件常被用于自动控制电路当中，可实现自动控制电路中自动调节、电路转换的功能。它具有电路隔离能力的自动化开关元件，可以根据控制电路的小电压、电流等物理量有效地控制被控制电路的大电压、电流等的通断。继电器的种类很多，大体上可分为固体型、时间型、极化型、舌簧型和电磁型等。它们都包括执行机构（输出电路）、感应机构（接收输入信号）和比较机构（提供比较量）3个部分。

2.4 无线处理模块

在本设计中，系统的驱动控制功能是利用芯片CC2530完成的，其外接电路图如图2所示。该芯片应用方便简单，仅仅通过少数外接电路就能够满足不用功能的要求，通过RS232完成与PC机间的通信。CC2530内部集成了2个USART、6个定时器、21个通用GPIO、DMA控制器、12位ADC、AES处理器、USB2.0全速控制器等等，如图2所示。

2.5 无线数传模块

本系统选用型号为KYL-1020L的无线数传模块实现远程监控功能。该模块由深圳科易连有限公司生产，体积小巧，功耗较低，双向传输，适用于远距离无线传输，具有超高稳定性与可靠性，接口方式为RS232，为监控数据信号提供了质量保证。

2.6 监控屏选型

MCGSTpc嵌入式一体化触摸屏TPC7062K作为本系统的触摸屏，由北京昆仑通态公司研制，操作方便，性能稳定，功耗较低，CPU亦为嵌入式。作为一种自带微处理器的智能终端，TPC7062K具备计算机功能，运用Wince.NET操作系统，结合MCGS应用软件。监控屏外观如图3所示。

3. 系统软件设计

3.1 系统开发语言nesC

nesC语言是针对有限资源的无线传感器网络节点而研发的编程语言，将令组件化的设计思路和驱动事件的执行模式完美结合，开发人员的工作效率得到有效提高。

3.2 ZigBee无线传感器网络的构建

协调器作为网络第一设备，在组建网络过程中，要启动整个网络。上电后，首先要对协议栈和硬件进行初始化，对能量进行检测，接下来将BeaCon信标发出，若有BeaCon响应，则表明在同一信道中还存在其他协调器。随后它便会自动切换到下一个信道，然后重复上一过程，直至不再出现有关BeaCon的响应为止。搜索到空信道后，选择某个随机的个人网络即可建立网络。协调器建网流程如图4所示。

3.3 传感器节点程序设计

SHT15是数字式传感器，通过I2C总线直接将温湿度的值以数字量的形式输出。通过设置数字程序以及结合输出的温度特性曲线，可利用公式（1）将数字输出量转换成温度值，其中SOT为程序内预先设定的传感器输出的测量值，d1，d2是温度补偿系数，其值与传感器的分辨率高低以及电源电压大小相关。

Temperature=d1+d2×SOT （1）

湿度值则能够被SHT15直接以数字量的形式输出，但其输出特性呈非线性，为了补偿呈现出的非线性，可按如下公式对湿度值进行修正，其中SORH为传感器测得的湿度值，C1、C2、C3为湿度补偿系数：

RHlinear=c1+c2×SORH+c3×SORH2 （2）

二氧化碳传感器控制命令寄存器的定义，控制命令寄存器由7Bit的设备地址与1Bit的读写控制位构成。二氧化碳传感器地址是0X31，读取数据时发送0X63，输入数据时发送0X62。

4. 系统设备运行测试和分析

在制菌过程中，通过通风系统、空调系统来控制栽培室内的二氧化碳浓度、空气温度等环境参数。室内二氧化碳浓度变化与通风系统开关状态见表1，温度变化与空调系统开关状态关系见表1。

通过分析表2中数据，制菌室室内二氧化碳浓度能够被通风系统正确调控，并控制在参考范围内，满足菌种生长对二氧化碳的要求，保持室内空气流通。

通过分析表2中数据，制菌室内温度的变化能够被空调系统正确调控，满足黑木耳菌种生长对于室温的要求。

结语

本设计结合黑木耳菌種在实际生产中的需求，结合ZigBee无线传感器网络、单片机控制等技术，搭建了一套食用菌栽培环境监控系统，能够对制菌过程中的影响菌种生长的环境参数信息、各设备的运行状态实时监控。试验结果表明，本系统可以达到对制菌室内的环境实时监控的目的，满足食用菌栽培环境需求，为农业生产提供了自动化的技术支持。

参考文献

[1]贺桂芳.基于SHT11的温湿度无线测控系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2007，23（8）：307-308.

[2]蓝月科技.二氧化碳传感器模块S_100中文数据手册[EB/OL].

[3]袁金正.基于ZigBee和嵌入式Linux的精密仪器实验室温湿度测控系统设计[D].银川：北方民族大学，2013.

[4]李昕.电磁继电器触头相关参数的测量研究[D].天津：河北工业大学，2012.

[5] HowittI， IEEE 802. 15. 4 lowrate wireless personal area networks coexistence issues. Wireless Communications and Networking， 2011， 3： 1481-1486.

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