太阳能物联网的食用菌无线监测节点设计

黄梅春，宋俊慷，韦树贡，杨秀增

（广西民族师范学院物联网技术集成与应用重点实验室，广西 崇左 532200）

食用菌是一种大型真菌，其营养不仅丰富，还含有多糖核酸药用成分，是人们公认的具有保健功能的绿色食品[1-3]。目前，我国食用菌总产量大，是公认的食用菌生产大国，从总体来看，与西方发达国家相比，目前我国栽培食用菌生产模式还比较落后[4-5]，大规模生产程度还比较低，生产成本高，经济效益低。因此，研制自动化食用菌监测设备，对增高食用菌生产效益具有十分重要的现实意义。

针对以上情况，本文利用物联网技术[5-8]和智能控制技术，设计能实时监测食用菌生长的无线监控节点[9]，本节点能实时采集食用菌大棚的温度、湿度、CO2的含量和光照强度，并能根据当前采集到的参数值和预设置参数值，控制食用菌大棚中的电机设备，为食用菌生长发育创造稳定的生长环境。

1 无线监控节点总体设计

图1 为无线监控节点的总体设计框图，由太阳能电池板组件、太阳能充电管理模块、锂电池、单片机控制器、RS232/485 转换电路、CO2传感器、光照传感器、温度传感器、湿度传感器、LCD 触摸显示模块、CC2530 通信模块、继电器驱动模块、继电器和加湿机、风扇卷帘机等各种执行单元组成。为了解决节点的供电问题，采用太阳能供电方式。如图1 所示，电池板组件作用是把光能转换成电能。太阳能充电管理模块作用是保护锂电池，防止锂电池过充和过放。单片机控制器是节点的控制中心，负责数据采集、显示和控制任务的执行等工作。CO2传感器、光照传感器、温度传感器和湿度传感器用于分别负责采集周围环境的CO2浓度、光照强度、温度和湿度值。RS232/485 转换电路与单片机控制器的UART1 相连，负责传感器和单片机控制器不同通信协议的转换。LCD 触摸显示模块是输入与输出设备，与单片机控制的UART3 相连，用于显示数据值和节点控制参数修改。CC2530 通信模块与单片机控制器的UART0 相连，负责把采集到的数据发送到数据集中器。继电器与单片机的P2 口相连，控制相应继电器的通断，负责加湿机、风扇和卷帘机等设备的启动和停止。

图1 无线监控节点总体设计框图

2 硬件设计

2.1 传感器电路设计

图2 为传感器电路设计原理图，由传感器、RS232/485 转换电路和光电耦合电路组成。在选择传感器时，都选用自带RS485 通信协议的工业级的光照、CO2和温湿度传感器。为了实现单片机与传感器之间通信，要设计RS232/485 转换电路，如图2 所示。选用Maxim 公司低功耗转换芯片MAX485，其内部含有一个驱动器和一个接收器。第1 引脚为接收器的输出口，与光电耦合器件的第2 引脚相连，当驱动器输出引脚R 为低电压时，光电耦合器U1 导通，第5 引脚为低电压，单片机RXD 读到低电压，相反，当驱动器输出引脚R 为高电压时，光电耦合器U1 截止，第5 引脚输出高电压，单片机RXD 引脚接到高电压。MAX485 的第4 引脚是驱动器的输入口，与光电耦合的第5 引脚相连，当单片机TXD 输出低电压时，光电耦合器U2 件处于导通状态，光电耦合器U2 的第5 引脚为低电压，MAX485 的第4 引脚输入低电压，相反，当单片机TXD 输出高电压时，光电耦合器U2 件处于截止状态，光电耦合器U2 的第5 引脚为高电压，MAX485 的第4 引脚输入高电压。由于MAX485 为异步半双工转换芯片，在某个时刻芯片只能是发送或者读取数据状态，这通过芯片的第2 和第3 引脚的电压来实现，当单片机P2^2输出高电压时，光电耦合器件U3 处于截止状态，光电耦合U3 的第4 引脚为低电压，MAX485 的第2 引脚为低电压，MAX485 芯片处于读取数据状态，相反，当单片机P2^2 输出低电压时，光电耦合器件U3 处于导通状态，光电耦合U3 的第4 引脚为高电压，MAX485 的第2 引脚为高电压，MAX485 芯片处于发送数据状态。

图2 传感器电路设计原理图

2.2 继电器驱动电路设计

图3 为继电器驱动电路原理图，由一片电流驱动芯片ULN2003 和各个继电器组成。ULN2003 是一片耐高压大电流驱动芯片，其内部集成7 个NPN 达林顿三极管，灌电流可达500 mA，是理想的继电器驱动芯片。ULN2003 的1-4 引脚分别接单片机的P2^0-P2^3 引脚，ULN2003 的13-16 引脚分别接继电器K5-K2 的第2 引脚，当单片机P2^0-P2^3 输出高电压时，ULN2003 的13-16 引脚输出低电压，继电器K5-K2 的第2 引脚都为低电压，继电器线圈有电流，继电器常开开关闭合，继电器所控制的设备启动，相反，当单片机P2^0-P2^3 输出低电压时，ULN2003 的13-16 引脚输出高电压，继电器K5-K2的第2 引脚都为高电压，继电器线圈没有电流，继电器常开开关断开，继电器所控制的设备停止。

图3 继电器驱动电路原理图

2.3 太阳能充电管理电路设计[9]

图4 为太阳能充电管理模块电路。为了提高可靠性，本电路采用锂电池充电芯片CN3722。CN3722 充电效率高，这是因为其内部集成了太阳能电池最大功率跟踪功能（MPPT）电路。15 引脚是CN3722 电源输入端，输入电压范围7.5～28 V，M1 为P 沟道MOS 场效应晶体管，其棚极受到CN3722 的内部驱动电路驱动。M1，D1，D1和L构成降压型DC/DC 开关电路，D2为续流二极管，L 是大功率电感储能元件，当开关管M1 导通时，输入电源（太阳能电池板）电流流经M1、D1、L、RC和电池，回到输入电源的负极，形成一个闭合回路，大功率电感L 把电能转换成磁能，储存在电感L 中，当开关管M1 截止时，D1截止、D2导通，大功率电感器L 处于放电状态，把磁能转换成电能，继续向电池充电。

图4 太阳能充电管理模块电路

3 软件设计

3.1 单片机主控程序设计

图5 是单片机主控程序算法流程图，监测节点上电，单片机运行初始化程序，对单片机内部或者外部设备进行初始化操作，再从单片机的FLASH 中读取预存的环境控制参数值，然后，依次采集温度、湿度、光照和CO<下标> 2下标传感器中的值，把采集到的数据发送到LCD 显示屏中，同时把数据发送到CC2050 通信模块中，最后单片机把当前数据值与设定值进行比较，根据比较结果驱动相应的继电器，控制相关的电机工作。

3.2 无线通信程序设计

系统程序设计方面，除了设计单片机程序之外，还要设计无线通信程序设计，解决好无线采集节点和数据集中器数据通信问题。本无线监控节点利用CC2530 芯片成功实现无线网络的组网，为了提高程序的设计效率，可以在CC2530 芯片移植TI 公司的Zigbee 协议（Z-Stack）。

图6 为CC2530 软件设计流程图，当单片机CC2530 上电时，CC2530 执行初始化程序，对设备进行初始化操作。CC2530 完成初始化操作后，就判断在周围是否存在合法的无线传感器信号，如果周围存在网络，就向无线网络的协调器发送申请加入网络请求，当协调器收到加入网络请求时，向申请节点分配一个网络节点地址，并向节点发送允许加入网络命令。当采集节点一旦加入网络成功，采集节点周期性设置数据发送事件，操作系统把采集到的数据发送到协调器。

图5 单片机主控程序算法流程图

图6 CC2530 软件设计流程图

4 系统测试

为了验证无线监控节点的可靠性和稳定性，对节点进行测试。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，这些传感器采用工业化标准ModBus通信协议。在测试时，采集节点每隔1 min 采集1 次数据，并把数据用LCD 显示屏显示出来，图7 为显示结果图。从测试结果可以看出，系统工作稳定，满足设计要求。

图7 无线监控节点控制界面

5 结束语

食用菌作为一种绿色食品日益受到各国人民的重视，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。利用物联网技术升级落后食用菌手工生产方式，是提高食用菌效益的重要途径。本文利用物联网技术和智能控制技术，设计了一款基于太阳能物联网的食用菌无线监测节点，实现了食用菌生长环境参数的采集和自动控制，有利于降低劳力成本，使传统的食用菌栽培提质增效。