基于CC2530的溫室無(wú)線(xiàn)采集與控制系統設計與實(shí)現

0 引言

農業(yè)是國家發(fā)展的基礎。中國是農業(yè)大國，卻不是農業(yè)強國，大力發(fā)展溫室農業(yè)是提高我國農業(yè)水平的重要途徑。溫室作為現代農業(yè)的重要組成部分，使農業(yè)生產(chǎn)可以不受氣候、地域的限制，大大地提高了作物產(chǎn)出。目前，我國溫室的智能化和信息化水平仍十分落后。采集和控制是現代溫室的兩個(gè)基本構成，目前溫室的采集和控制大多采用線(xiàn)纜傳輸，當傳感器和控制設備較多時(shí)，線(xiàn)路雜亂，施工難度大、成本高，維護升級困難，而且溫室的高溫度、高濕度、酸性環(huán)境極易造成線(xiàn)路腐蝕老化，影響系統的可靠性和安全性。針對這些問(wèn)題，本文設計了基于CC2530的溫室無(wú)線(xiàn)采集與控制系統，該系統不僅實(shí)現了溫室多點(diǎn)數據的實(shí)時(shí)采集和無(wú)線(xiàn)上傳，而且實(shí)現了設備控制的無(wú)線(xiàn)化和自動(dòng)化，系統運行過(guò)程中幾乎不需要人的參與，具有很高的應用價(jià)值。

1 系統總體設計

系統結構如圖1所示。通過(guò)若干分布在溫室中的傳感器節點(diǎn)采集數據，無(wú)線(xiàn)發(fā)送至中心節點(diǎn)，中心節點(diǎn)匯集各采集節點(diǎn)的傳感數據并上傳到監控計算機，監控計算機進(jìn)行數據處理、顯示和存儲，根據數據處理結果下達控制命令，并經(jīng)由中心節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給控制設備，實(shí)現采集與控制的自動(dòng)化和無(wú)線(xiàn)化。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

系統采用CC2530無(wú)線(xiàn)SOC作為主芯片，它將微處理器和無(wú)線(xiàn)射頻模塊集成到一塊芯片上，是TI公司推出的新一代ZigBee解決方案。CC2530的微處理器核心為一款增強型8051單片機，配有8KB的SRAM內存和32/64/128/256KB容量可選的flash閃存，時(shí)鐘頻率達到32MHz，能滿(mǎn)足不同應用對數據處理的要求，休眠時(shí)自動(dòng)切換到32KHz低頻模式，最大限度地降低能耗：無(wú)線(xiàn)射頻模塊的核心是CC2520芯片，工作在ISM免許可認證頻段2.4GHz，采用DSSS擴頻技術(shù)，具有出色的接收靈敏度(-98dm)和鏈路預算(103dB)，最大傳輸速率 250Kbps，完全符合IEEE802.15.4協(xié)議標準。

2.2 傳感器節點(diǎn)

本系統選用DHT11溫室兩用型數字傳感器，該傳感器為單總線(xiàn)數字信號輸出，工作電壓3.3～5.5V，溫度測量范圍0～50℃，精度±2℃，濕度測量范圍20～90%RH，精度±5%RH。圖2是DHT11的電路連接圖。

DHT11通過(guò)一根數據線(xiàn)與CC2530模塊相連接，構成采集模塊，一次讀取結束后，溫度和濕度數據在數據線(xiàn)上按位傳輸、圖3為傳感器節點(diǎn)框架圖。

2.3 控制節點(diǎn)

由于氣候多變，溫室經(jīng)常由于惡劣天氣等原因而不得不關(guān)閉窗戶(hù)，此時(shí)室內空氣不流通，受溫室覆蓋材料散熱等原因影響，室內溫度、濕度等重要的環(huán)境因子會(huì )分布不均，直接影響作物生長(cháng)的均勻性，因此有必要采取室內循環(huán)通風(fēng)措施，使室內氣候均勻、穩定。

本系統的控制對象為溫室內循環(huán)通風(fēng)用的風(fēng)機，風(fēng)機型號CBF-400防爆型軸流風(fēng)機，風(fēng)量2880m3/h，功率0.37kW，試驗溫室面積為 10*8m2，采用兩臺這樣的風(fēng)機能很好地滿(mǎn)足要求。該風(fēng)機工作電壓220V/AC，采用直流繼電器驅動(dòng)，為提高驅動(dòng)能力和抗干擾能力，增加了功率放大器和光耦隔離器件。CC2530主控板通過(guò)一個(gè)I/O引腳控制直流繼電器，從而控制風(fēng)機啟、停。圖4為控制節點(diǎn)框架圖。

3 軟件設計

3. 1 節點(diǎn)程序設計

3.1.1 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

目前常用的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議有ZigBee、Bluetooth、Wi—Fi、UWB等，其中ZigBee以其低功耗、低速率、大網(wǎng)絡(luò )容量、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、高安全性等特點(diǎn)成為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的最佳選擇。ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò )層和應用層規范，物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)基于 IEEE802.15.4協(xié)議標準。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )有三種拓撲形式：星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀，其結構如圖5所示。星型網(wǎng)絡(luò )和樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )不能改變網(wǎng)絡(luò )拓撲，適合于不需要移動(dòng)的場(chǎng)合。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)能自由地與周?chē)墓濣c(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò )拓撲可動(dòng)態(tài)調整，能夠滿(mǎn)足高移動(dòng)性的要求，而且網(wǎng)絡(luò )擴展十分方便。本系統網(wǎng)絡(luò )規模雖然不大，但為方便移動(dòng)和后期擴展，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。

3.1.2 程序結構

節點(diǎn)的程序基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧， 它引入了操作系統抽象層OSAL(Operating System Abstraction Layer)機制來(lái)處理多任務(wù)。OSAL按優(yōu)先級從高到低的順序輪詢(xún)物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò )層、應用層是否有任務(wù)要執行。若有高優(yōu)先級任務(wù)，立即跳轉進(jìn)入該任務(wù)處理子程序，處理結束后再次從最高優(yōu)先級開(kāi)始新一輪查詢(xún);若查詢(xún)結束 發(fā)現沒(méi)有任務(wù)要執行，系統會(huì )轉入休眠，以節約能量。圖6是OSAL的任務(wù)處理流程圖。

本系統采用的Z-Stack版本為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，在采集節點(diǎn)程序中添加了一個(gè)SEND_DATA_EVENT任務(wù)，用于執行傳感器采集和數據發(fā)送功能;在中心節點(diǎn)程序中添加了一個(gè)SEND_CMD_EVENT任務(wù)，用于發(fā)送控制命令，控制節點(diǎn)中添加相應的命令接收與解析程序。

3.2 上位機軟件設計

傳感器采集到的數據上傳到上位機，上位機進(jìn)行處理、存儲。圖7為上位機軟件顯示效果圖。該軟件由VC++6.0編寫(xiě)完成，能夠實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示各采集節點(diǎn)的溫濕度數據，并繪制出變化曲線(xiàn)。采集到的數據按設定的格式存儲為.txt文本文檔，保存到中心計算機的硬盤(pán)上，便于后續進(jìn)行溫室建模等深入研究。

4 系統測試

分別在外置電源和電池供電兩種模式下測試系統。

在外置電源供電時(shí)，節點(diǎn)在1秒采樣1次的較高采樣頻率下一直持續穩定運行;在兩節AA電池供電時(shí)，節點(diǎn)每2min采樣1次，其余時(shí)間進(jìn)入休眠，系統能持續運行一周?？紤]到溫室一般對采樣頻率要求不高，可以將采樣間隔設置為10分鐘甚至更長(cháng)。若采用大容量電池，續航能力可以延續至數月甚至幾年，以適應某些無(wú)法提供外置電源的工作環(huán)境。圖7為測試中的上位機數據顯示界面，圖8為存儲到計算機的數據格式。

在持續兩周的觀(guān)察期內，軸流風(fēng)機啟、?？刂茰蚀_率為100%，控制可靠性很高。實(shí)驗表明該系統工作穩定、可靠，低功耗性能卓越，具有很高的實(shí)用性。

5 結論

本系統實(shí)現了溫室環(huán)境的無(wú)線(xiàn)監測和設備的無(wú)線(xiàn)控制。無(wú)線(xiàn)采集節點(diǎn)可以方便地布置在溫室的不同位置，能夠有效地獲取整個(gè)溫室的環(huán)境信息。與傳統的溫室有線(xiàn)測量與控制系統相比，簡(jiǎn)化了布線(xiàn)任務(wù)，節省了人力成本。整個(gè)系統的成本較傳統有線(xiàn)系統更低，并且維護和升級都非常方便，為未來(lái)溫室的智能化、無(wú)線(xiàn)化提供了一種解決方案。