溫室中無(wú)線(xiàn)執行器節點(diǎn)的設計

0 引言

溫室監控系統建立的最終目的是為了獲取溫室環(huán)境的數據信息，監控溫室的正常運行，并通過(guò)分析數據得到作物生長(cháng)與環(huán)境變化的規律。傳統的多點(diǎn)環(huán)境參數監控系統一般都是通過(guò)有線(xiàn)通信(如RS-485 總線(xiàn))的方式把環(huán)境參數數據傳送到監控中心的。有線(xiàn)通信的一個(gè)無(wú)法回避的問(wèn)題是需要布線(xiàn)，它使系統的設計、安裝及維護等的復雜度大幅提高，同時(shí)使系統的成本也大大增加，而且如果某一節點(diǎn)損壞有可能導致整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )癱瘓。由于溫室大棚占地面積大，采用傳統的有線(xiàn)監控系統除了通信設備之間的物理線(xiàn)路連接還需要供電線(xiàn)路的支持。而采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)后，系統精簡(jiǎn)了通信和供電線(xiàn)路的鋪設，方便了系統的維護和擴展，對提高溫室的生產(chǎn)管理水平具有重要的意義。對于本設計而言，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可以有效的解決采用有線(xiàn)通信所存在的問(wèn)題，而且具有成本更低、不需要布線(xiàn)、可以任意增加或減少測量節點(diǎn)、維護方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統組成及工作過(guò)程

無(wú)線(xiàn)溫室監控系統由無(wú)線(xiàn)測量節點(diǎn)與執行器節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和后臺管理系統三層組成，如圖1 所示。測量節點(diǎn)采集數據并通過(guò)匯聚節點(diǎn)將數據轉發(fā)給后臺管理系統。測量節點(diǎn)由51 兼容的射頻SoC 芯片nRF9E5 來(lái)實(shí)現;執行器節點(diǎn)采用基于A(yíng)RM®CortexTM-M3 的微控制器LMS3S1968 和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF905 組成;匯聚節點(diǎn)采用處理能力更強的ARM9 和無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF905 組成。

溫室中，大量的測量節點(diǎn)采用分散布撒的方式擺放于溫室中，負責采集監控區域的環(huán)境信息，并通過(guò)多跳的傳輸方式將數據發(fā)送到匯聚節點(diǎn);匯聚節點(diǎn)既負責數據的收集上傳，又系統中各個(gè)節點(diǎn)發(fā)送控制命令，還要通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò )與后臺管理系統進(jìn)行通信，由后臺管理系統控制溫室的環(huán)境參數和傳感器節點(diǎn)的管理。各個(gè)溫室內的節點(diǎn)相互獨立，某個(gè)溫室中的某個(gè)節點(diǎn)出現故障不會(huì )影響到其他節點(diǎn)的正常工作。

2 主要器件介紹

2.1 基于A(yíng)RM Cortex-M3 的LM3S1968 微控制器

LM3S1968是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的Stellaris®系列、基于A(yíng)RM®Cortex™-M3的微控制器。該Stellaris®系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于各種關(guān)注成本并明確要求具有的過(guò)程控制以及連接能力的應用方案。

LM3S1968 微控制器是針對工業(yè)應用方案而設計的，包括遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網(wǎng)絡(luò )設備和交換機、工廠(chǎng)自動(dòng)化、HVAC 和建筑控制、游戲設備、運動(dòng)控制、醫療器械、以及火警安防。其主要特性有32 位RISC 性能、采用與Thumb®兼容的Thumb-2 指令集以獲取更高的代碼密度、高達256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM、4 個(gè)通用定時(shí)器模塊、2 個(gè)SSI 模塊、2 個(gè)I2C 模塊、采樣速率為1000000 次/秒的8通道10 位A/D 轉換、3 個(gè)獨立集成的模擬比較、3 個(gè) PWM 發(fā)生器模塊、2 個(gè)QEI 模塊、多達52 個(gè)GPIO、片內低壓差穩壓器等。