基于CC2530的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

戴昊 龔美鳳 譚武軍 劉蘭蘭

摘 要：本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合山區(qū)農(nóng)作物生長(zhǎng)特點(diǎn)，以及利用無線傳感網(wǎng)技術(shù)（WSN）和GPRS技術(shù)對(duì)山區(qū)農(nóng)作物種植環(huán)境進(jìn)行海量數(shù)據(jù)監(jiān)控，克服山區(qū)無基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)鋪設(shè)的困難，實(shí)現(xiàn)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在第一時(shí)間了解它們的需求，極大提高了資源利用率，提高了公司的管理水平和效率，其主要優(yōu)點(diǎn)有：使用CC2530組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)大規(guī)模部署，且具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理；并且CC2530運(yùn)行功耗低，極適合山區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：CC2530；ZigBee；環(huán)境數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：TN014 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

2002年，英特爾公司在俄勒岡建立了世界上第一個(gè)無線葡萄園，將無線傳感器結(jié)點(diǎn)人工分布在葡萄園中，對(duì)園中土壤的溫度以及養(yǎng)分含量等作物生長(zhǎng)條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作物管理決策平臺(tái)，該平臺(tái)利用了無線傳感網(wǎng)技術(shù)（WSN）實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的溫度、濕度、光照等信息的監(jiān)測(cè)。北京市“蔬菜生產(chǎn)智能化網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)（WSN）應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中，將溫室作為一個(gè)監(jiān)控區(qū)，使用無線傳感網(wǎng)（WSN）技術(shù)對(duì)溫度、PH值、含水量、光照強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)溫室條件進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)的最佳條件，增加作物產(chǎn)量。國(guó)內(nèi)外信息化農(nóng)業(yè)的實(shí)踐表明：無線傳感網(wǎng)技術(shù)（WSN）有利于提高農(nóng)作物的資源利用率。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

該環(huán)境監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用基于ZigBee協(xié)議進(jìn)行構(gòu)建，其中硬件利用CC2530芯片作為無線射頻通信的核心器件，并且通過土壤濕度、空氣溫度、二氧化碳濃度、土壤酸堿度、光照強(qiáng)度等傳感器獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，終端節(jié)點(diǎn)通過CC2530單片機(jī)獲取各個(gè)傳感器的參數(shù)值，協(xié)調(diào)器創(chuàng)建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)匯總給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將傳感器的數(shù)據(jù)整理打包通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給K60主控制器，K60通過CCD攝像頭獲取農(nóng)作物的葉片信息以及ZigBee獲取的不同遠(yuǎn)近的RSSI的值進(jìn)行算法分析，得到不同位置的農(nóng)作物葉片真實(shí)的大小。

3 芯片與傳感器的選擇

3.1 環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)

環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組件包括DC-DC模塊、CC2530模塊和傳感器模塊，所述傳感器模塊采用氮監(jiān)測(cè)傳感器、PH值傳感器、水分傳感器和光強(qiáng)傳感器等。其中傳感器模塊與DC-DC模塊相連，DC-DC模塊輸出端與CC2530模塊相連；溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器采集電池組件背板和環(huán)境參數(shù)，與CC2530模塊內(nèi)嵌的8051單片機(jī)的I/O口相連。節(jié)點(diǎn)組件中的CC2500模塊將傳感器模塊采集到的參數(shù)通過無線射頻方式發(fā)送給對(duì)應(yīng)的路由組件，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)組件狀態(tài)參數(shù)的無線傳輸。采用TI公司的CC2530F128芯片設(shè)計(jì)CC2430模塊，通過寫入初始化程序和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)組件的初始化和組網(wǎng)。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)包括DC-DC模塊、CC2530模塊、485通訊模塊、USB模塊、GPRS模塊；CC2530模塊通過485通訊模塊、USB模塊、GPRS模塊與其他外設(shè)進(jìn)行多種方式的信息交互。路由組件中的CC2530模塊將自身的狀態(tài)參數(shù)和接收到的節(jié)點(diǎn)組件的狀態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)在內(nèi)置存儲(chǔ)器中，通過無線射頻方式定時(shí)發(fā)送給對(duì)應(yīng)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)矩陣單元狀態(tài)參數(shù)的無線傳輸。采用TI公司的CC2530F128芯片設(shè)計(jì)CC2530模塊，通過寫入初始化程序和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)路由組件的初始化和組網(wǎng)。485通訊模塊、USB模塊和GPRS模塊分別與CC2530F128芯片的串口相連，連通多種外設(shè)。

3.3 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器包括電源模塊、CC2430模塊、USB模塊和RS232模塊。其中，電源模塊分別與CC2530模塊、GPRS模塊、USB模塊相連，為上述模塊供電；CC2530模塊通過USB模塊與其他外設(shè)進(jìn)行多種方式的信息交互。系統(tǒng)組網(wǎng)成功后，協(xié)調(diào)器中的CC2530模塊將接收到的來自路由組件發(fā)送的狀態(tài)參數(shù)通過RS232模塊實(shí)時(shí)傳輸給與之相連的K60，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物種植的陣列狀態(tài)參數(shù)的匯集。采用PL2303HX芯片設(shè)計(jì)USB模塊，采用MAX3232E芯片設(shè)計(jì)RS232模塊和TI公司的CC2530F128芯片設(shè)計(jì)CC2530模塊，通過寫入?yún)f(xié)調(diào)器應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器組網(wǎng)。

協(xié)調(diào)器連接的K60控制器是一個(gè)32位處理器內(nèi)核的M4控制器。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。CM4 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。該控制器是高效的信號(hào)處理功能與 Cortex-M 處理器系列的低功耗、低成本和易于使用的優(yōu)點(diǎn)的組合，能夠完美的實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用線性CCD攝像頭對(duì)農(nóng)作物的葉片的圖像進(jìn)行采集，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)終60，利用C語言算法的有效判別和分析，提取對(duì)應(yīng)的RGB值提取對(duì)應(yīng)的RGB值，通過中值濾波算法去除光照和陰影的影響，然后將RGB的值轉(zhuǎn)換為灰度值，提取出葉片顏色的范圍內(nèi)的灰度值的像素點(diǎn)，求得葉片像素點(diǎn)與原始圖片像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的比值。進(jìn)一步，ZigBee利用傳輸?shù)男盘?hào)強(qiáng)度RSSI的值，通過算法計(jì)算得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)到主控制器的距離值，進(jìn)而求得拍攝的每個(gè)葉片位置到攝像頭的距離，結(jié)合計(jì)算出的像素點(diǎn)比值與距離比值的函數(shù)，分析求得葉片的大小，具體程序流程如圖2所示。

在采集節(jié)點(diǎn)和配有傳感器的路由器中，傳感器的數(shù)據(jù)每隔一段時(shí)間采集。其實(shí)現(xiàn)是在TI公司基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)開發(fā)Zstack協(xié)議棧中實(shí)現(xiàn)的。為實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集，使用OSAL操作系統(tǒng)提供的osal_start_reload_timer定時(shí)觸發(fā)函數(shù)，該函數(shù)的功能是在規(guī)定的的時(shí)間（1000ms）后觸發(fā)中斷服務(wù)程序，并且將任務(wù)代碼和消息代碼寫入任務(wù)輪詢函數(shù)中。但任務(wù)輪詢函數(shù)再次掃描時(shí)，就會(huì)觸發(fā)對(duì)應(yīng)事件的消息，并執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集代碼，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，再利用AF_DataRequest數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器。程序流程如圖3所示。

結(jié)論

智能農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的大勢(shì)，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中加入環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)能夠通過對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、PH值、二氧化碳濃度等）的分析在一定程度上知道農(nóng)作物當(dāng)前的生長(zhǎng)速度以及生理狀態(tài)，從而改變農(nóng)作物所處環(huán)境的環(huán)境參數(shù)（如在光合作用較強(qiáng)時(shí)增加二氧化碳的濃度）以達(dá)到農(nóng)作物增產(chǎn)的目的。而使用無線網(wǎng)絡(luò)則增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，和使用電纜通信相比，系統(tǒng)在布置和后續(xù)擴(kuò)展時(shí)，使用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置不僅容易擴(kuò)展，而且傳感器節(jié)點(diǎn)的布置更加靈活，所受環(huán)境因素影響更小。目前，該系統(tǒng)僅能顯示并存儲(chǔ)短時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)，且查看地點(diǎn)固定，需有人長(zhǎng)時(shí)間在顯示端查看，浪費(fèi)人力，且對(duì)農(nóng)作物的增產(chǎn)作用有限，后續(xù)系統(tǒng)將結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器存儲(chǔ)、分析，并開發(fā)相應(yīng)的移動(dòng)客戶端，以做到數(shù)據(jù)能隨時(shí)隨地的查看和處理。

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基金項(xiàng)目：湖北民族大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目 2016CX079

作者簡(jiǎn)介：戴昊（1996），男，漢，湖北麻城，學(xué)生，本科。研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。