银耳菇房温度监控系统设计

郑俊锦，陈钟荣

（南京信息工程大学 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044）

银耳又称白木耳，是优质的药食兼可的菌类[1]。我国的银耳产区主要集中在四川通江和福建等地[2]，其中以有着“银耳之乡”美誉的福建省古田县为多，银耳产量占全国总产量的95%以上，世界银耳总产的80%以上[3]。然而，该县的银耳生产方式主要以规模较小的家庭作坊式栽培为主，菇房环境的监控手段较为落后。由于银耳菇房的湿度较大（尤其是出耳后，相对湿度常高达100%），因此菇农通常不观测菇房的相对湿度，而只对菇房温度进行监控。当前大部分菇农采用玻璃温度表来观测菇房温度，这不仅使得监控效率低下，而且无法自动记录温度数据。

为此，本文为提高菇房温度监控的效率，应用了传感器、GSM/GPRS、微处理器和物联网等技术，采用了有限状态机思想编程，实现了20路以上的温度传感器的长距离读取。并通过GSM/GPRS技术，使得用户可以通过语音通话、短信和Web网页等多种方式来获取菇房信息（如温度数据、日光灯等设备的开关状态）和远程控制菇房设备。同时，在数据中心建立了菇房信息数据库，可自动记录栽培全程的菇房信息（如温度数据、各设备开关状态改变的时间点等），为研究菇房温度、光照时间、通风时间等环境要素与银耳的产量和品质的关系提供了数据样本。

1 系统整体设计

本系统主要构成为微处理器、温度传感器、按键和显示模块、继电器模块、声光报警模块、GSM/GPRS模块，数据中心和菇房电器设备等。系统框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图Fig.1 Schematic drawing of the system general structure

用户除了能通过按键显示模块和声光报警模块与系统现场交互，还可通过GSM/GPRS技术与系统远程交互。利用GSM网络，用户可以通过电话和短信向系统发出查询或设置指令 （如查询温度，控制菇房电器开关和设置温度阈值等系统参数），系统以短信形式发送当前菇房信息和向用户拨打电话的方式报警；利用GPRS网络，系统定时将菇房电器的开关状态以及温度数据等信息发往数据中心，用户可通过浏览Web网页来获取相关信息和控制菇房电器设备。同时，数据中心将记录栽培全程的菇房信息，以便菇农和研究人员进行后期分析。

由于大多菇房的加温措施采用设置加温烟道（通过烧火来加温），降温措施采用开启门窗和鼓风机（栽培季节为春、秋、冬季，室外温度低于室内温度）。因此，本系统只能实现单向的温度调节 （降温）。当菇房温度太低并达到一定的时间，系统通过继电器模块来关闭门窗并发出报警信息；当菇房温度太高并达到一定的时间，则开启门窗和鼓风机并发出报警信息；当菇房设备切换为人工模式时，完全由菇农控制菇房电器设备的开关。

2 系统硬件设计

2.1 电源模块

本系统采用12 V外部电源，给声光报警模块和继电器模块供电，12 V电压经LM2596-5.0降压形成5 V电压，给单片机、温度传感器供电，5 V电压经过MIC29302BU降压，形成4 V的电压，给GSM/GPRS模块供电。

2.2 微处理器

STC15F2K60S2是宏晶公司生产的单时钟/机器周期的单片机，内部集成高精度R/C时钟（±0.3%），ISP编程时5～35 MHz可设置，可省掉外部晶振和外部复位电路。其片内具有60 KB的Flash程序存储器、2 KB的SRAM和1 KB的E2PROM。其所有I/O口均可由软件配置成4种工作模式（准双向口/弱上拉、推挽输出/强上拉、仅为输入（高阻）、开漏输出）之一。

2.3 温度传感器

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，测量范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为±0.5℃。每个DS18B20都有一个唯一的64位ROM序列号，应用时，通过查询此序列号可识别一根总线上挂接的多个DS18B20，实现对对象的准确控制。

利用DS18B20进行多点测温的方法有2种[4]：

（1）单端口单总线驱动法。优点：节省单片机I/O口、连接简单、节约导线。缺点：电气特性相互影响、实时性变差（逐个操作，并且要先匹配序列号）。

（2）多端口并行驱动法，即并行处理均独立分配有一个I/O口的DS18B20。优点：实时性好。缺点：单片机I/O口消耗较大。

每个菇房中间布设一个具有不锈钢防水封装的DS18B20。由于菇房（一般宽5 m，长14 m）并行排列，若采用单端口单总线驱动法，每增加一个传感器只需加长12 m，可以有效减少线缆成本。菇房分布以及DS18B20的连接方式如图2所示。

根据相关文献介绍，当单总线上挂接超过8个DS18B20时，需要增加单片机总线驱动器。当采用普通信号线缆传输长度大于50 m时，读取的测温数据会发生错误；当采用屏蔽双绞线电缆时，通信距离可达500 m[6]。

图2 传感器分布示意图Fig.2 Schematic diagram of the sensor distribution

本文在使用普通线缆（RVV，3*0.3的护套线）和不加总线驱动器的情况下，通过改变上拉电阻的阻值和单片机IO口（该IO口连接DS18B20的数据端口）的工作模式，在保证通信正常的情况下，测试所能挂接的传感器数目和通信距离，实验结果如表1所示（表中，准双向表示使用单片机I/O口的准双向口模式；高阻推挽表示当该IO口为输入时配置为高阻输入，当该IO口为输出时配置为推挽输出/强上拉的工作模式）。因此，可通过以下2种方式来增强单片机的驱动能力，以扩展传感器数目以及线缆长度：①将单片机I/O口配置为高阻推挽模式（STC15系列单片机的I/O口在推挽输出/强上拉模式下，驱动能力可达20 mA）；②适当减少上拉电阻的阻值。

表1 温度传感器扩展实验结果Tab.1 Experimental results of temperature sensor expansion

2.4 GSM/GPRS模块

SIM900A是芯讯通（SIMCom）公司的无线通信GSM/GPRS模块。它支持GPRS multi-slot class10/class 8（可选）和 GPRS 编码格式 CS-1、CS-2、CS-3以及CS-4。它内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT命令让用户能够容易地使用TCP/IP协议，在数据传输方面应用广泛[6]。同时，模块还可通过升级固件来增加TTS语音合成功能，使得本系统具备本地语音播报的功能。

2.5 声光报警模块

本系统采用的报警器型号为JS-103（12 V，0.3 A）。单片机IO可以通过N沟道场效应管（AO3402）来直接驱动，电路图如图3所示。

图3 报警器驱动电路Fig.3 Drive circuit of the alarm

2.6 继电器模块

由于菇房使用的日光灯、鼓风机和单链条开窗器的数目较多，并且采用220 V供电，因此需要采用较多的继电器。本文使用可级连的74HC595来扩展单片机IO口，然后经过ULN2003A放大后驱动继电器，来控制各个房间的日光灯、鼓风机和电动单链条开窗器模块等。

3 系统软件设计

系统软件设计包括数据中心的上位机软件设计和硬件部分的下位机软件设计。

3.1 上位机软件设计

本系统的数据中心是基于Linux平台、使用Node.JS开发的云端系统。通过TCP/IP协议使服务器与下位机建立和保持Socket长连接，来实现实时数据交换[7]。云端通过Web网页向用户提供了友好的人机交互界面。云端还将下位机定时发来的菇房温度和窗户开关等信息保存于数据库中。数据库使用了一款NoSQL数据库—MongoDB[8]，使得数据中心可以轻松地在云端保存并处理下位机高并发上传的菇房信息数据。用户可以通过Web网页查看和下载菇房信息，如实时温度和历史温度记录等[9]，并可以在Web网页直接对日光灯、鼓风机及开窗器模块等进行控制。另外，云端还可对数据进行分析，针对银耳的生长阶段给出相应的菇房环境控制的建议。

3.2 下位机软件设计

下位机软件设计采用模块化思想编程，以下主要介绍单片机与SIM900A的通讯和程序流程图。

3.2.1 单片机与SIM900A的通讯

单片机通过串口使用AT命令与SIM900A通讯。SIM900A提供的AT命令包含符合GSM07.05、GSM07.07、和 ITU-T Recommendation V.25ter的指令，以及SIMCom自己开发的指令[10]。

由于SIM900A对某些AT命令的回复较慢。如果采用发出AT命令后，采用延时等待回复的方法，将牺牲系统的实时性。由于发送AT命令的函数可以划分为3个状态。因此，此处采用有限状态机思想[11]取代死延时等待的方法进行编程，该函数状态机转换图如图4所示，箭头上方内容为状态切换条件，状态2在“验证回复”后，就切回到状态0，以便执行下一次AT命令。

图4 状态机转换图Fig.4 State machine transition diagram

提高实时性的原理如下：当系统调用该函数且该函数没执行完毕时，该函数就会处于在主函数的while循环内。程序每执行到这个函数时，只会执行它的一个状态所对应的代码 （先判断处于哪个状态，再执行相应的代码）。例如当该函数处于等待回复状态时，进入该函数后只判断是否“出现回复”，然后就跳出该函数，执行其他函数。直到下次再进入该函数，再执行判断。这相当于把执行其他函数所花费的时间当作延时，从而提高系统实时性。

3.2.2 程序流程图

本文主要介绍以下3个模块的软件设计：主程序模块，包括初始化和调用各功能子程序，流程图如图5所示；串口服务子程序，负责处理SIM900A发来的内容，根据发来的内容进行相应的处理，流程图如图6所示；SIM900A通讯服务子程序，主要包括拨打电话，发送短信和发送GPRS数据，由于它们的流程相似，因此该子程序的流程图只画出发送短信部分 （电话拨打失败和GPRS发送失败的故障代码分别为 “E2”、“E3”），其中m为发送失败的次数，当发送失败次数达10次，则通过重启SIM900A模块来尝试恢复信号，流程图如图7所示。

图5 主程序流程图Fig.5 Flow chart of main program

图6 串口服务子程序流程图Fig.6 Flow chart of uart service routine

图7 短信发送流程图Fig.7 Flow chart of sending short message

4 系统测试

本系统已在福建省古田县的银耳种植户中应用，工作稳定可靠，效果良好。图8为数据中心的网页界面，图中选择显示菇房1的实时情况，在图中可以方便地查看菇房的温度信息以及日光灯等设备的开关状态。网页的右下方显示了当前菇房的实时温度数据曲线，并且能够选择和放大任意时间段的温度曲线，以查看相关细节。

图8 数据中心的网页界面Fig.8 Web page of data center

根据数据中心的温度记录，图9绘制了某批次银耳栽培全程的温度走势图 （由于菇房一般在野外，通讯失败和停电等原因造成了部分数据缺失）。由于这3个菇房的银耳处于同一批次，因此温度走势大致相同。在栽培的中后期，菇房温度发生较大幅度的震荡，这是因为从银耳出耳（约第17天）开始，为保持菇房空气新鲜，防止银耳长期处于高温高湿的环境下发生烂耳或病菌滋生等病害，而定时给菇房进行通风操作。

图9 银耳菇房温度走势图Fig.9 Temperature profile of tremella fuciformis plantation

菇房信息的远程获取和菇房电器设备的远程控制，能及时发现菇房环境异常，并且能减少菇农进出菇房的频率，从而减少杂菌感染率和减轻工作量。同时，本系统还记录有日光灯、窗户以及鼓风机开关状态切换的时间点，菇农和研究人员可据此计算出各生长阶段的累计光照时间、累计开窗时间和累计鼓风机工作时间等相关参数，来进一步研究总结得出最佳的菇房环境控制方法。

5 结语

本文针对银耳栽培的温度监控现状和菇农的实际需求，采用有限状态机思想编程，改善了单片机在不使用操作系统时控制GSM/GPRS模块的实时性，并且能够简洁有效地实现20路以上的温度传感器的长距离读取，并且通过GSM/GPRS实现温度数据等菇房信息的多渠道获取和菇房环境的远程控制，满足了菇房温度监控的需求，极大地方便了菇农的栽培管理工作。同时，数据中心的菇房信息数据库为研究人员提供了大量的数据样本。本系统廉价可靠，具有一定的推广意义。

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