低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高之圣，王海燕

(1.江蘇省電子產(chǎn)品裝備制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇淮安223003）

0 引言

作物的正常生長(zhǎng)需要適宜的溫濕度，一旦溫室大棚里的環(huán)境控制不好就容易導(dǎo)致作物減產(chǎn)，甚至病變死亡。傳統(tǒng)的溫室大棚種植都是通過(guò)在溫室內(nèi)布置復(fù)雜的電線及相關(guān)的控制設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的調(diào)控，這給農(nóng)作物進(jìn)行播種施肥等活動(dòng)造成了不便，在生產(chǎn)活動(dòng)中經(jīng)常會(huì)把電線弄斷。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到溫室大棚監(jiān)控，省略了布線環(huán)節(jié)，避免了傳統(tǒng)溫室大棚所遇到的問(wèn)題，同時(shí)達(dá)到了對(duì)溫室環(huán)境因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)中采用傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)和具有簡(jiǎn)單執(zhí)行控制功能的控制節(jié)點(diǎn)構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量節(jié)點(diǎn)用來(lái)測(cè)量空氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度等重要環(huán)境數(shù)據(jù)，控制節(jié)點(diǎn)用來(lái)接收計(jì)算機(jī)傳來(lái)的遠(yuǎn)程控制信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)溫、調(diào)濕等設(shè)備進(jìn)行相關(guān)控制，達(dá)到對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)控。測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)沿著其他測(cè)量節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳的方式進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)處理，信息經(jīng)由多條路由后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到的數(shù)據(jù)直接上傳到計(jì)算機(jī)，所有數(shù)據(jù)都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理，并通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)和收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息，最后這些數(shù)據(jù)還可以通過(guò)Internet與遠(yuǎn)程控制中心進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要組成包含：CC2530、LCD液晶顯示模塊、溫濕度采集模塊、光照采集模塊，其中AD采樣模塊、無(wú)線射頻模塊是CC2530內(nèi)部的硬件資源。

圖2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)

在圖2中，測(cè)量節(jié)點(diǎn)采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的通信與數(shù)據(jù)采集。選用DHT21傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行采集。選用BH1750傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)光照度進(jìn)行采集。系統(tǒng)采用OSAL操作系統(tǒng)抽象層來(lái)組織ZigBee無(wú)線通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的通信。

CC2530單片機(jī)是TI公司（德州儀器）生產(chǎn)的一款專用于IEEE 802.15.4和ZigBee協(xié)議通信的片上系統(tǒng)解決方案。其RF內(nèi)核是基于工業(yè)領(lǐng)先的射頻通信芯片CC2420。匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)接收傳感節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，調(diào)度傳感節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和用戶指令。（圖3所示）

2.2 溫濕度傳感器DHT21接口電路設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器選用的是DHT21，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。每個(gè)DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上。單總線接口電路如圖4所示。

圖4 DHT21接口電路

DHT21的供電電壓為5V。傳感器上電后，要等待1s 以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè)100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA 用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間5ms左右。

2.3 BH1750光照檢測(cè)傳感器接口電路設(shè)計(jì)

BH1750FVI是一個(gè)I2C接口的數(shù)字式光照控測(cè)傳感器，具有很寬的光度探測(cè)范圍，廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話、LCD電視、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、汽車導(dǎo)航儀等數(shù)碼領(lǐng)域，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，不需要再做復(fù)雜的計(jì)算。通過(guò)計(jì)算電壓，來(lái)獲得有效的數(shù)據(jù)。這款環(huán)境光傳感器能夠直接通過(guò)光度計(jì)來(lái)測(cè)量。光強(qiáng)度的單位是流明"lx"。BH1750FVI的接口電路如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序、匯聚節(jié)點(diǎn)程序、LCD12864顯示程序、傳感器數(shù)據(jù)采集程序、I2C程序、系統(tǒng)軟件架構(gòu)等。

3.1 測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)的主要功能就是接收匯聚節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）采集數(shù)據(jù)的指令采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送出去。傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖6所示。

圖6 測(cè)量節(jié)點(diǎn)流程圖

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)的功能就是創(chuàng)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)屬性，接收傳感器測(cè)量節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)串口上傳到計(jì)算機(jī)。匯聚節(jié)點(diǎn)程序結(jié)構(gòu)流程圖如圖7。

3.3 溫濕度采集程序

由于溫濕度采集用的是DTH21單總線結(jié)構(gòu)，所以在操作時(shí)只需要定義一個(gè)微理器的IO口即可進(jìn)行操作，數(shù)據(jù)采集的流程如圖8所示。

3.4 光照度驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

光照度傳感器是I2C接口，I2C是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)流程圖

圖8 溫濕度采集流程如圖

圖9 測(cè)試環(huán)境

圖9為溫室測(cè)試環(huán)境，監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)溫室大棚的溫度、濕度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)某天從溫室取回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出，測(cè)得監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均溫度和濕度濃度分布穩(wěn)定在18℃~30℃,85~95% RH，符合在作物黃瓜生長(zhǎng)要求的范圍內(nèi)。實(shí)踐驗(yàn)證，該裝置能夠在溫室高溫、高濕的條件下良好地運(yùn)行，傳感器精度達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的檢測(cè)、采集及控制，促進(jìn)溫室大棚作物增產(chǎn)增收。

5 結(jié)論

本文結(jié)合目前我國(guó)溫室大棚的控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本文提出了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在環(huán)境數(shù)據(jù)采集方面利用了多種傳感器檢測(cè)及自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了溫室大棚的自動(dòng)化控制。本監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、低成本、體積小、易于擴(kuò)展、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，目前已在淮安某鎮(zhèn)溫室大棚蔬菜基地投入使用，運(yùn)行情況良好，大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

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