宋子龙，曹凤才，刘权亮

(1.中北大学信息与通信工程学院，山西 太原 030051;2.中北大学艺术学院，山西 太原 030051;3.太原理工大学，山西 太原 030024)

我国是世界最大的食用菌生产国，据统计，我国温室大棚总面积占全球面积的80%，但相当一部分食用菌生产仍停留在传统工作方式操作，操作模式产量低、规模小，严重制约着我国农业生产由过去的粗犷型向精准型的转型。在当前我国农村经济转型发展的前提下，本项目主要针对我国食用菌种植管理方式粗放、效率低、产量小、质量差等问题，结合食用菌产业的规模化发展和生产工艺的标准化建设的实际需求，将嵌入式系统技术和ZigBee 无线网络结合到菌类温室控制当中，设计出一套集采集、传输、控制、监控等为一体的温室控制系统［1］。采用ZigBee 无线传输模块有助于解决有线系统的局限性问题，并且通过节点的建立，形成树型节点或者星型节点网络，方便在上位机进行总体显示和集成管理［2］。

1 菌类温室特点

菌类生长周期短，生长阶段多，现代化菌类温室有别于其他温室的特点在于，不同菌类所适合的环境参数不同，而且同一菌类在不同生长阶段所需要的环境参数也不相同，所以要保证菌类的正常生长，达到优质高产的目的，就必须根据菌类各个生长阶段生长对环境的要求采取相应环境调控措施，提供有益的生长环境。部分菌类生长湿度环境参数如表1 所示［3］。基于cortexA8 平台的菌类温室控制系统主要对菌类温室环境参数进行实时检测和控制，并且配套视频监控，目的是为菌类各生长阶段设置不同控制参数的温室采集控制系统。操作人员可以通过人机界面显示，操作控制器对菌类生长进行监控管理，用户可以根据需要自己设置各生长阶段的环境参数，独立对各个温室环境进行控制，通过对温室内相关设备的实时调控，使温室内的环境参数达到对菌类各生长阶段所需的环境因子的要求［3］。

表1 菌类生长相对湿度参数表

2 系统组成

系统的硬件组成部分由分别搭载各类传感器和继电器的CC2530 无线模块、基于cortexA8 平台的嵌入式网关、PC机、监控设备等组成。硬件系统为用户提供LCD、键盘等人机交互界面和摄像头监控，还可以通过手持设备对温室进行观测和控制。通过生长阶段的划分、设备的关联、运行模式的选择、用户数据库等实现对菌类温室内的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、二氧化碳和光照等的检测与控制，通过对温室内相关设备的实时调控，使温室内的环境参数达到对菌类各生长阶段所需的环境因子的要求。

系统实现的主要功能是在菌类温室大棚中放置的各类传感器实时监测温室大棚内的空气温度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、CO2浓度等相关环境参数，并且和数据库的环境参数设定进行比较;当采集的环境参数值超标时，将向主机和手持嵌入式网关发出报警信息，用户可以根据主机的数据和现场监控设备对菌类温室大棚进行环境参数修改;数据库的建立，可以使用户根据自己的经验及相关数据对菌类温室大棚进行喷淋、降温、遮阳、通风等操作，还可以为农业专家提供研究性依据;视频监控可帮助工作人员远程管理菌类温室，真正实现农业大棚的监测控制一体化。系统的结构框图如图1 所示。

图1 硬件电路框图

由于温度、湿度、光照的相互作用，环境参数具有延时性和时变性的特点，单个参数因子的调节受到其他被控对象的影响，对一个因子的控制会影响到另一个因子参数的变化，因此在建立专家系统和数据库的过程中，面对温湿度、光照、CO2浓度等多方面数据采集，需要采用多输出多输入的耦合控制过程，采用模糊控制方法，将设定值和检测值进行比较，将偏差的变化率通过模糊决策得到模糊控制量，最后经过处理作用于被控对象，可以使控制系统在较短的时间内达到目标。

3 传感器节点模块

采集模块中的温湿度传感器采用有超快响应、抗干扰能力强的SHT10 作为主芯片，电源引脚之间可增加一个100 nF 的电容，用以去耦滤波。SCK 用于微处理器与SHT10之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK 频率。DATA 三态门用于数据的读取。DATA在SCK 时钟下降沿后改变状态，并仅在SCK 时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK 时钟高电平时，DATA 必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平［5］。

本文采用的CC5230 芯片基于TI 的IAR5.3 与Zig-Bee207-Zstack 协议栈进行开发。CC2530 是一个兼容IEEE 802.15.4 的片上系统，支持专有的802.15.4 市场以及Zig-Bee、ZigBee PRO 和ZigBeeRF4CE 标准，提供了101 dB 的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，四种供电模式、2 个USART、12 位ADC 和21 个通用GPIO。支持一般的低功耗无线通信。无线模块的整体框图如图2 所示。

图2 CC2530 模块整体框图

4 软件设计

4.1 模糊控制

H0 和T0 用来表示数据库预设定的最适宜湿度和温度，H 和T 分别是通过传感器返回来的实际湿度和温度值，通过参数之间的关系建立参数方程:

eH与eT分别表示当前值与实际检测值之间的误差，X、Y 为解耦参数，其作用是消解耦合性。将输入的温湿度量通过比较得到偏差eH与eT，通过量化转化为模糊量E，一定范围内的模糊子集表;将实验得出对应的误差变化率ecH 与eCT 量化成EC［4］;将专家经验知识建立成模糊控制规则表，通过模糊规则进行推理可得出输入输出关系。通过输入输出关系可以得出对应的模糊控制量U。通过循环，得到对被控对象的控制。需要注意的是当偏差较大时，应控制对应量变化使偏差变小;当偏差较小时，应防止系统振荡，维持系统稳定。模糊控制系统的结构图如图3 所示。

图3 模糊控制结构图

4.2 应用软件设计

WinCE6.0 是微软公司开发的一种支持多种外设和网络系统的嵌入式操作系统，其支持超过1 000 个常用的Microsoft Win32API 和一些附加的编程接口，为用户提供全面的源代码，可用于开发应用程序。Windows CE 的开发过程可以分为:OAL、驱动、应用程序开发三个步骤。其中，OAL开发最基本的一步是板级支持包(BSP)，Boot Loader 在BSP开发中具有极为关键的地位。在驱动程序设计方面开发者通过WinCE 提供的API 函数直接可以实现硬件交互，接口驱动程序实现的DLL 接口直接提供给内核使用，包括串口驱动，模数转换驱动等等，应用程序通过API 直接对外设进行访问［7］。通讯方面主机应用程序是一个以Windows 系统服务形式存在的服务程序，传输节点以及上层应用都通过网络连接到服务程序上，并通过服务程序进行通信，设备与服务程序的通讯过程分为两个阶段。第一个阶段是与中间服务的通讯，主要是与中间服务建立连接并完成设备类型的识别以及一些通讯参数的初始化，第二个阶段需要有上层应用的配合，如果有上层应用连接到服务，则设备开始通过服务与上层应用进行通讯，此时服务的功能是数据转发器，协调上层应用和设备之间的通信，不对数据进行处理。应用程序完成之后，可以同时让设备与C/S 架构的桌面程序和Web Service 进行通信。

菌类温室控制系统界面为用户提供温室环境的实时参数，用户可以通过实时显示对功能模块参数包括温度、湿度、光照等在内的参数进行系统配置。通过菌类温室控制系统的仪表动态界面、实时报表和远程监控，部分界面如图5 所示。用户可掌握温室的实际生产情况并提供异常实时报警设备控制，如图4 所示。

图4 菌类温室控制系统程序演示图

图5 菌类温室控制系统监控报警图

5 结论

本文设计了一种基于cortexA8 平台的菌类温室控制系统，以cortexA8 为中央控制器，CC5230 无线模块为前端传感器节点，将现场数据进行汇总之后再传给嵌入式控制器，同时可实现视频监控功能。通过大棚现场实验，表明系统智能化程度高，操作简便直观，实现了农业自动化、集中化管理，并且数据库的建立可为农业专家提供研究性依据，系统还可用于其他领域当中，应用前景广阔。

［1］Yin L，Chen D，Li C，et al.Research on the Intelligent Greenhouse Ecological Environment Control and Application Based on Internet of Things［C］//World Automation Congress (WAC)，2012.IEEE，2012：1－5.

［2］Avila-Miranda R，Begovich O，Ruiz-Leon J.An Optimal and Intelligent Control Strategy to Ventilate a Greenhouse［C］//Evolutionary Computation (CEC)，2013 IEEE Congress on.IEEE，2013：779－782.

［3］蒋友.蘑菇温室智能控制系统的设计［D］.太原：太原理工大学，2010.

［4］付焕森，李元贵，张雪莲，等.智能专家系统在蔬菜温室大棚种植中的应用［J］.中国农机化学报，2014，35(1) ：240－244.

［5］黄家露，杨方，张衍林.基于CC2430 的温室无线传感器节点设计与应用［J］.华中农业大学学报，2013，32(5) ：119－123.

［6］鞠传香，吴志勇.基于ZigBee 技术的温室大棚智能监控系统［J］.江苏农业科学，2013(12) ：405－407.

［7］罗健飞，吴仲城，沈春山，等.基于ARM 和WinCE 下的设备接口驱动设计与实现［J］.自动化与仪表，2009，24(3) ：1－3.

［8］Li S J，Luo C，Wang X D.Design of Embedded Monitoring System for Greenhouse Based on ARM11 and WinCE［J］.Applied Mechanics and Materials，2013，303：1477－1480.