趙正軍 王福平 潘杰

摘要：使用Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一套適用于馬鈴薯貯藏環(huán)境的參數(shù)采集與控制系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)由Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)、控制中心主機(jī)、遠(yuǎn)程客戶端等組成。詳細(xì)闡釋系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方法，針對(duì)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提出2種基于ESP8266的Wi-Fi無線組網(wǎng)與傳輸方案，可分別適用于小型、中大型貯藏環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用情況，該系統(tǒng)搭建簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)馬鈴薯貯藏室環(huán)境的實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，保證了馬鈴薯的貯藏品質(zhì)，本系統(tǒng)對(duì)發(fā)展開拓馬鈴薯貯藏技術(shù)也具有現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：Wi-Fi;物聯(lián)網(wǎng);馬鈴薯;貯藏環(huán)境;無線網(wǎng)絡(luò);測(cè)控系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： S126;TP273+.5 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）02-0233-05

如今，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)加工過程向著安全、綠色的方向發(fā)展，在這一過程中，貯藏保存是其中重要的環(huán)節(jié)之一。貯藏環(huán)境和條件作為影響農(nóng)產(chǎn)品保存期限和食用價(jià)值的重要因素[1]，受到了越來越多的關(guān)注。我國(guó)是世界上種植馬鈴薯面積最大的國(guó)家，對(duì)馬鈴薯的貯藏保存仍以傳統(tǒng)的窯藏方式為主，人為干預(yù)因素較少[2]，從而導(dǎo)致馬鈴薯在貯藏過程中容易產(chǎn)生生芽，腐爛現(xiàn)象。為保證馬鈴薯的貯藏品質(zhì)，針對(duì)我國(guó)北方地區(qū)廣泛采用半地下式馬鈴薯貯藏室（窖）的特點(diǎn)，本研究基于32位無線SOC ESP8266以及增強(qiáng)型51單片機(jī)STC15，設(shè)計(jì)馬鈴薯貯藏室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)，通用Wi-Fi構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)貯藏環(huán)境各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制，大大降低了馬鈴薯貯藏期間的損壞率[3]。

作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在馬鈴薯貯藏上的應(yīng)用，吳瓊等提出了一種基于ZigBee的馬鈴薯儲(chǔ)藏環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4]，賈倩民等提出了一種基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，簡(jiǎn)稱GPRS）的馬鈴薯貯藏環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[2]，這些系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了對(duì)貯藏環(huán)境參數(shù)的有效采集或有效調(diào)節(jié)，但在實(shí)際應(yīng)用中，ZigBee存在著傳播距離近、數(shù)據(jù)信息傳輸速率低、室內(nèi)空間信號(hào)衰減嚴(yán)重等問題，GPRS則存在著數(shù)據(jù)傳輸成本高、無法組網(wǎng)傳輸?shù)热秉c(diǎn)。馬鈴薯貯藏室在空間上一般是多個(gè)貯藏室并行排列，對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度和無線信號(hào)的網(wǎng)狀傳播方式有著較高的要求。Wi-Fi作為目前一種廣泛應(yīng)用的無線網(wǎng)絡(luò)方式，技術(shù)成熟、成本低廉、普及率高，并且有傳輸范圍廣、傳輸速率快、組網(wǎng)方便的特點(diǎn)，適用于室內(nèi)空間無線數(shù)據(jù)傳輸。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)基于Wi-Fi的馬鈴薯貯藏環(huán)境檢測(cè)與控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹Wi-Fi方式下無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建方法。

1 系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于Wi-Fi的馬鈴薯貯藏環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)與環(huán)境參數(shù)自動(dòng)調(diào)控等2個(gè)部分構(gòu)成。通過分布于貯藏室內(nèi)的感知與控制終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集貯藏室內(nèi)各種影響馬鈴薯貯藏品質(zhì)的關(guān)建環(huán)境因子，如溫度、濕度、CO2濃度等[2，5-6]，然后通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的傳感器參數(shù)傳送到控制中心主機(jī)，由控制中心主機(jī)來實(shí)時(shí)顯示各種參數(shù)以供工作人員查看，并通過設(shè)定的控制算法及策略，由主機(jī)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析和處理，作出相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)對(duì)策，將對(duì)策轉(zhuǎn)化為控制命令再經(jīng)由Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)依照命令通過電路接口來控制貯藏室調(diào)節(jié)設(shè)備，如冷風(fēng)機(jī)、除濕機(jī)、自然風(fēng)機(jī)等。如此過程不斷循環(huán)，從而讓貯藏室環(huán)境保持在一個(gè)適宜馬鈴薯保存的區(qū)間范圍內(nèi)。通過控制中心主機(jī)搭建web服務(wù)器，借助于因特網(wǎng)，工作人員可以遠(yuǎn)程通過手機(jī)APP或者網(wǎng)站來實(shí)時(shí)查看貯藏室環(huán)境參數(shù)信息，設(shè)置控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手動(dòng)控制等功能。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)貯藏環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)主要由貯藏室環(huán)境參數(shù)感知與控制節(jié)點(diǎn)、各種調(diào)節(jié)設(shè)備、Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)、無線路由器、控制中心主機(jī)、因特網(wǎng)、手機(jī)APP、遠(yuǎn)程客戶端等組成。選用深圳市安信可科技有限公司推出的ESP8266模塊來構(gòu)建無線 Wi-Fi 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采集與控制節(jié)點(diǎn)上集成溫度、濕度、CO2濃度傳感器來檢測(cè)各種環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)控制核心采用STC公司的STC15系列增強(qiáng)型51單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的傳感器采集和環(huán)境調(diào)節(jié)命令的控制。整個(gè)Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)經(jīng)過一臺(tái)無線路由器，上傳到同樣與路由器相連接的控制中心主機(jī)計(jì)算機(jī)，主機(jī)計(jì)算機(jī)一方面將收到的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)軟件界面實(shí)時(shí)顯示，供現(xiàn)場(chǎng)工作人員查看，另一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫，提供web服務(wù)器服務(wù)以便遠(yuǎn)程通過手機(jī)APP或客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并結(jié)合各種控制模型和算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中分析和處理，產(chǎn)生相應(yīng)的環(huán)境調(diào)節(jié)命令。命令經(jīng)由無線路由器和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至終端節(jié)點(diǎn)，由終端節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)貯藏室環(huán)境參數(shù)作出調(diào)節(jié)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 采集與控制節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采集與控制節(jié)點(diǎn)是整個(gè)Wi-Fi無線傳感與控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要要素，它負(fù)責(zé)與無線路由器一起搭建整個(gè)系統(tǒng)的 Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，并承擔(dān)采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、執(zhí)行調(diào)節(jié)命令的任務(wù)。

2.1.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì) 采集與控制節(jié)點(diǎn)的電路框架如圖2所示，由主控STC15單片機(jī)、ESP8266 Wi-Fi模塊、溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、調(diào)節(jié)設(shè)備控制接口及其他外圍電路組成。主控單片機(jī)選擇宏晶科技有限公司的STC15F2K60S2單片機(jī)，片載2組獨(dú)立高速異步串行通信接口UART，可分別用于CO2濃度傳感器以及ESP8266模塊的串口通信。Wi-Fi模塊采用安信可公司的ESP8266-12F Wi-Fi模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11 b/g/n Wi-Fi協(xié)議，內(nèi)部含有完整的 TCP/IP 協(xié)議棧，用AT指令配置并通過串口通信使用。CO2濃度傳感器選擇鄭州煒盛電子科技有限公司的MH-Z14A CO2濃度傳感器，其內(nèi)部通過非色散紅外原理對(duì)空氣中的CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)，以串口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，與STC15單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信幀可使用求和校驗(yàn)。溫度與濕度采集選用DHT11溫濕度一體化數(shù)字傳感器，其內(nèi)部利用電阻元件測(cè)量溫度和濕度，與單片機(jī)之間采用單總線數(shù)字信號(hào)通信方式。對(duì)貯藏室調(diào)節(jié)設(shè)備的控制，由STC15單片機(jī)的IO接口結(jié)合光耦驅(qū)動(dòng)繼電器來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)備的控制。