食用菌生产环境参数自动监测系统的设计与实现

可 收 集 多 个 无 线 数 据 单 元 发送 来 的 数 据 ， 过 监 控 终 端 处 理 经 后 ， 户 界 面 就 会 显 示 多 个 环 境 数 据 状 态 ， 将 数 据 以 表 格 用 并 和 曲线 的形 式 显 示 在 界 面 上 。用 户 也 可 在 异 地 通 过 Ｇ Ｍ网 Ｓ
１ ｍ 在 接收模 式时 电流为 １．ｍ １ Ａ， ２５ Ａ。ｎ Ｆ ０ 单 片 无 线 收 Ｒ ９５
２１ ．９
３．７ ２ ７ １ ２
４．３ ７
１８ ２ ５
３０ ０ ０ ３８ ２ ６
发 器工 作 由 一 个 完 全 集 成 的 频 率 调 制 器 ， 个 带 解 调 器 的接 一 收 器 ， 个 功 率 放 大 器 ， 个 晶 体 震 荡 器 和 一 个 调 节 器 组 一 一
２２４ 光 照 传 感 器 （ ４ 单 元 测 量 范 围 １ ７ ０ ｘ供 电 ． Ｈ３ ） ～ ００ ０Ｌ ，
电源 ： ～ ． Ｖ。 ３ ５５
２３ 无 线 通 信 模 块 Ｎ Ｆ ０ 无 线 射 频 芯 片 挪 威 Ｎ ｒｉ公 ． Ｒ ９５ ｏｄｃ
司推出的单片射 频发射器芯 片 ， 作电压为 １ －． ３ 引 工 ． ３ ９ ６Ｖ， ２
收稿 日期 ：０ ２ ０ — ２ ２ １— ３ ０ 基 金 项 目 ： 苏 省 农 业 科 技 自主 创 新 资 金 项 目 Ｃ １） ０ ， Ｘ 江 Ｘ（ ０ ２ １Ｃ
（０ ２ ２ １ ）２ 。
传感 器 （ ５ ０ ， Ｂ ３ ） 测量范 围 ０ １ ０ ｇｋ ， ～ ００ ０ｍ ／ｇ 体积小 安装方便 ，
随 着 近 几 年 自动 化 控 制 技 术 和 电 子 技 术 的 发 展 ， 代 温 现 室 大 棚 中 已具 备 监 控 温 湿 度 、 照 、 氧 化 碳 等 因 子 条 件 的 光 二
设 备 。 。食 用 菌 工 厂 化 栽 培 也 引 进 了 相 关 设 备 用 于 监 测 菇 。
感 器 节 点 的低 功 耗 要 求 。 ２２ 传 感 器 单 元 节 点 的 传 感 器 可 以 是 温 度 传 感 器 、 度 ． 湿 传 感 器 、 气 传 感 器 、 氧 化 碳 传 感 器 等 。 经 多 路 模 拟 开 关 氧 二 将 采 集 到 的数 据 传 送 给 微 处 理 器 芯 片进 行处 理 。 ２２１ 温 湿 度 传 感 器 本 设 计 采 用 的 是 数 字 型 温 湿 度 一 体 ． ． 传感器 。
脚 Ｑ Ｎ封 装 （ ｍｘ Ｆ ５ｍ ５ｍｍ） 工 作 于 ４ ３８ ８９ ５ＭＨ ３ ＩＭ ， ３／６ ／１ ｚ 个 Ｓ 频 道 （ 以 免 费 使 用 ） Ｒ ９ ５ 以 自动 完 成 处 理 字 头 和 可 。ｎ Ｆ ０ 可
标 准 气 体 ／ｍｇｋ 。 （ ・ｇ。 ）
Ｏ ４８ ９
摘 要 随着 食 用 菌设 施 化栽 培 的发 展 ， 生 产 过程 中环境 参 数 对 进 行 实 时 监 测越 来 越 重 要 。研 究 设 计 开 发 了基 于无 线 传 感 器 网
络 的设 施 环 境 监 测 系 统 ， 系 统 可 对 设 施 环 境 参 数 （ 温 度 、 该 如 湿
点 。 系 统 中 采 用 单 片 机 Ａ ｍｅａ６Ｌ 它 是 Ａ ｍ ｌ 司 基 于 Ｔ ｇ ｌ ， ｔ ｅ公 Ａ Ｒ 的 增 强 型 ＲＳ Ｖ ＩＣ结 构 的 极 低 功 耗 的 ８ Ｃ Ｓ微 控 制 位 ＭＯ 器 。 Ａｍｅａ６Ｌ 据 吞 吐 率 高 达 １ Ｐ ／ ｚ从 而 缓 解 了 系 ｔ ｇｌ 数 ＳＭＨ ， ＭＩ 统 在 功 耗 和 处 理 速 度 之 间 的 矛 盾 ， 六 种 睡 眠模 式 ， 合 传 有 适
年。
生 产 环境 ， 者 对 系统 的 各个 传感 器 及 部 件 进 行 了相 应 标 定 笔 与测 试 。 以 二 氧 化 碳 标 定 为 例 简 述 如 下 ： 氧 化 碳 传 感 器 零 二
点 校 准 采 用 纯 度 为 ９ ．９ ％的氮 气 ， 传 感 器 进 行 充 气 ， 值 ９ ９ ９ 对 数 稳 定 后 读 取 输 ｍ 电压 。 另 准 备 四 个 不 同浓 度 的 二 氧 化 碳 标
２２ 二 氧 化碳 （ Ｏ 传 感 器 采用 美 国进 口红 外 二 氧化 碳 ．２ ． Ｃ ）
（ １ ， 感 器 单 元 、 理 器 单 元 、 控 屏 等 三个 基 本 组 成 部 图 ）传 处 监 分 构 成 了 无 线 传 感 器 网络 的基 本 节 点 。其 工作 原 理 ： ： 装 为 将
度 、 照 、 气 、 氧 化 碳 浓度 等 指标 ） 行 实 时雌 测 ， 可通 过 互 光 氧 二 进 并 联 网 及 Ｇ Ｍ无 线 网 络平 台 进行 数 据 异地 观 测和 管 理 ， 全 天候 反 Ｓ 可
应 不 同栽 培 模式 下 菇 房环 境 的变 化情 况 。
关键词
食用菌
环境 参 数
监测系统
无 线 传 感 器 网络
文 章 编 号 １０ — ３７ ２ １ ）３ ０ ５ — ３ ０ ０ ８ ５ （０ ２ ０ — ０ ７ ０
络 终 端 设 备 对 生 产环 境 参 数 进 行 实 时 监 测 。
我 国 幅 员 辽 阔 ， 季 分 明 ， 越 的 自然 环 境 条 件 适 宜 多 四 优 种 食 用 菌 的 生 长 繁 育 。食 用 菌 产 业 是 我 国 正 在 崛 起 的 新 兴
！
Ｉ
— ． —．
无线传感器网络节点
— ． ． ． — ． — ． ． ． ． ． — ． ． ． ． ．
；
ｊ
图 １ 系统 结 构 组 成 示 意 图
机哦 ， 数 存 在 数 据 参 数 单 一 、 法 定 时 观 测 储 存 等 问 题 。 本 多 统 无
具
研 究 提 出 了 一 个 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 全 天 候 多 参 数 监 测
下基础。
房 环 境 的 变 化 情 况 ， 要 是 一 些 手 持 装 备 和 温 湿 度 控 制 系 主
２ 系 统 的 硬 件设 计
２１ 微 处 理 器 微 处 理 器 是 网络 节 点 硬 件 设 计 的核 心 ， ． 所
有 的 设 备 控 制 ， 据 采 集 和 处 理 ， 信 协 议 和 数 据 收 发 等 都 数 通
有 温 度 、 度 、 照 、 气 和 二 氧 化 碳 浓 度 等 环 境 参 数 监 测 传 湿 光 氧
感 器 的传 感 器 节 点 根 据 各 环 境 指 标 的测 定 要 求 布 置 在 食 用 菌菇棚（ ） 室 内部 ， 传感 器 将 检 测 到 的 环 境 数 据 通 过 相 对 应 各
之
丑
蜂
加 业 务 ， 条 Ｓ 短 消 息 能 够 传 输 １ ０ 节 或 １０ ７ｂｔ 每 ＭＳ ４字 ６ 个 ｉ字
符 或 ７ 个 Ｕ ｉｏｅ 符 数 据 ， 全 满 足 小 容 量Ｏ 密 度 ５ ０ ５ ０ ｎｃｄ 字 完 低 ５ Ｏ 信 息传 输 的 需 要 。 系 统 可 以 通 过 手 机 实 现 对 单 一 温 室 菇 棚 也 可 以 通 过 控 制 中 心 计 算 机 实 现 对 一 定 数 量 的 菇 棚 集 中 控 制 管
输 出 值／ ｖ
１９ ．７
Ｃ Ｃ 循环冗余码 校验 ） Ｒ （ 的工作 ， 由片内硬件 自动完成曼彻 可
斯 特 编 码 解 码 ， 用 Ｓ Ｉ 口与 微 控 制 器 通 信 ， 置 非 常 方 使 Ｐ接 配 便 ， 功 耗 非 常 低 ， 一 ０ｄ ｍ的 输 出 功 率 发 射 时 电 流 只 有 其 以 １ Ｂ
准 气 瓶 ， 校 准 仪 器 上 进 行 充 气 测 定输 出 电 压 。 以二 氧 化 碳 在 浓 度 和 输 出 电 压 （ １ 制 作 曲线 （ ２ ， 公 式 带 入 软 件 即 表 ） 图 ）将 可进行实地测试与应用。
表 １ 不 同二 氧 化 碳 浓 度 下 电 压 输 出 值
成 。 Ｓ ｏｋ ｕｓ工 作 模 式 的 特 点 是 自动 产 生 前 导 码 和 Ｃ Ｃ， ｈ ｃＢ ｒｔ Ｒ
可 以 很 容 易 通 过 Ｓ Ｉ 口进 行 编 程 配 置 ， 处 理 器 将 传 感 器 Ｐ接 微
单 元采 集 的数 据 通 过 该 模 块 发 送 到 接 受 终 端 。 ２４ ＧＳ 无 线 网 络 传 输 Ｓ 是 Ｇ Ｍ 网 络 提 供 的 一 种 附 ． Ｍ ＭＳ Ｓ
的 电路 进 行 转 换 ， 过 微 处 理 器 单 元 对 传 感 器 采 集 到 的 数 据 通 进 行 处 理 ， 理 后 的数 据 可 在 监 控 屏 上 实 时 显 示 ， 可 传 递 处 也 给 无 线 通 信 单 元 进 行 传 递 。监 控 终 端 与 无 线 通 信 单 元 连 接 ，
产 业 ， 自然 循 环 、 济 循 环 、 健 等 方 面发 挥 的 作 用 逐 渐 被 在 经 保 越来 越多的学者 所关注 。其发展正 由传统农 户分散 经营 的
手 工 操 作 模 式 向集 约化 、 械 化 和 现 代 化 方 向发 展 － 更 准 确 机 － － ， 的控 制 温 度 、 照 、 度 、 氧 化 碳 浓 度 等环 境 条 件 的 要 求 越 光 湿 二 来 越 高 。 多 品 种 、 季 节 不 同栽 培 模 式 的 生 产 方 式 对 食 用 反 菌 生 长 环 境 的 监 测 与 控 制变 得 日趋 重 要 。 － 一
１ 设 施 环 境 监 控 系 统 的组 成
研 究 设 计 实 现 的食 用 菌 栽 培 环 境 监 测 系 统 是 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 ， 以 实 时 监 测 设 施 环 境 内 氧 气 、 氧 化 碳 含 可 二
量 、 度 、 度 、 照 强 度 等 多 种 环 境 指 标 。它 主要 由传 感 器 温 湿 光 单 元 、 处 理 器 单 元 （ 括 对 采 集 到 的 数 据 识 别 、 理 与 传 微 包 管 输 ） 无 线 通 信 单 元 、 Ｓ 无 线 网 络 传 输 和 监 控 终 端 组 成 、 ＧＭ
在 该模 块 的 支 持 下 节 点 的 所
系 没 一 统 ， 实 现 在 食 用 菌 栽 培 中环 境 参 数 自动 远 程 监 测 控 制 打 为
施
设 计 中至 关 重 要 。传 感 器 节 点 所 使 用 的 处 理 器 要 求 外 形 尽 量 小 、 成 度 尽 量 高 、 耗 低 而 且 支 持 睡 眠模 式 、 行 速 度 尽 集 功 运 量 快 、 本尽 量低 以及要 有 足够 的 外部 通用 Ｉ 成 ／ Ｏ端 口 等 特
可靠性高 ， 因而 可 广 泛用 于 Ｃ ： 体 的长 期监 测 等 应 用 场 合 。 Ｏ气
通 讯 作 者 。ｅ ｍａ ：ｊ５ １２ ＠１３ｃｒ — ｉ ｓｄ６ ０ ７ ６ ． ｎ ｌ ｏ
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２ １（ ） ０ ２ ３
２２３ 氧 气传 感 器 采 用 英 同 ＣＴ ． ＩＹ公 司 Ａ 气 传 感 器 ， Ｏ氧 输 存 空 气 中 ９ １ Ｖ， 量 范 围 ０ ９ ％ ， 用 范 同 ０ ２ ～ ３ｍ 测 ％～ ０ 使 ～
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龟 固苗
食 用 菌 生 产 环 境 参 数 自 动 监 测 系 统 的 设 计 与 实 现
唐玉邦 李辉 平 ： 黄万喜 徐 磊 裴 勤 宋金悌
（ 江 苏 省农 业 科 学 院 原 子 能 农 业 利用 研 究 所 ， 苏 南 京 ２ ０ １ ２江 苏省 农 业 科 学 院蔬 菜 研 究 所 ， 苏 南京 ２ ０ １ １ 江 １０４； 江 １０ ４ ３ 京 方角 石 电子 科 技 有 限 公 司 ， 苏南 京 ２ ０ １ ） 南 江 １０ ４