基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

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1系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心處理模塊基于CC2530開發(fā)設(shè)計(jì)，選用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有容量大、低成本和低功耗等特點(diǎn)，且相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸距離可達(dá)10～150m，完全滿足溫室內(nèi)無線調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。其中，主控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)處理分析、人機(jī)交互及調(diào)光命令下發(fā)等功能;驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)控制命令接收、數(shù)據(jù)解析及調(diào)光數(shù)據(jù)輸出等功能;植物L(fēng)ED執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)LED燈組調(diào)控及亮度輸出。主控節(jié)點(diǎn)采用全功能設(shè)備FFD(FullFunctionDe-vice)，具備網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)功能，可聯(lián)結(jié)其他FFD或精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可雙向傳輸信息，具有協(xié)調(diào)作用;同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，主控節(jié)點(diǎn)具有控制功能。電路設(shè)計(jì)增加環(huán)境光照與溫度信息采集模塊、人機(jī)交互模塊(即液晶顯示及按鍵)、工作指示燈、時(shí)鐘模塊以及復(fù)位模塊，分別完成數(shù)據(jù)采集、人機(jī)交互和復(fù)位等控制功能。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)采用簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD(ReducedFunc-tionDevice)與主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，同時(shí)完成控制命令輸出;植物L(fēng)ED執(zhí)行器基于植物光合作用分析，選用中心波長(zhǎng)為660nm、半波帶寬度為40nm的紅光LED，以及中心波長(zhǎng)為450nm、半波帶寬度為40nm的藍(lán)光LED兩種特定波段LED作為光源，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)輸出不同的調(diào)光命令，實(shí)現(xiàn)不同配光比的光環(huán)境調(diào)節(jié)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1主控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)構(gòu)建及啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇、當(dāng)前環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、控制方式選擇、計(jì)算調(diào)光值、調(diào)光命令下發(fā)、人機(jī)交互等功能，包括電源模塊、核心處理模塊、無線模塊。

2．1．1核心處理模塊

系統(tǒng)選用CC2530作為中央處理器，內(nèi)含高性能低功耗8051微控制器，工作電壓3．3V，外設(shè)21個(gè)I/O口。其中，P1．0接入系統(tǒng)正常工作信號(hào)LED指示燈;P0．1接入手動(dòng)按鈕;人機(jī)交互模塊電路為液晶分別與P0．0，P1．2，P1．5和P1．6連接，按鍵與P0．6和P2．0口連接;P0．2，P0．4，P0．5與時(shí)鐘芯片DS1302相連;P1．4口與溫度傳感器連接，P1．1和P1．3口與光照傳感器相連。具體電路根據(jù)CC2530芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)開發(fā)，降低了開發(fā)難度。

2．1．2人機(jī)交互模塊

系統(tǒng)選用DB12864－16C作為液晶顯示，采用普通復(fù)位按鍵作為設(shè)備按鍵，在滿足系統(tǒng)工作要求的條件下，為節(jié)省I/O口使用，液晶與CC2530連接采用串行SPI方式進(jìn)行通信，按鍵電路利用SN74HC32或門和LM358運(yùn)放共同實(shí)現(xiàn)。具體電路根據(jù)SPI方式及運(yùn)放典型電路開發(fā)設(shè)計(jì)。

2．1．3其他模塊

電源模塊采用5V適配器為主控節(jié)點(diǎn)供電。電源輸入后，經(jīng)過降壓芯片ASM－1117典型電路為系統(tǒng)提供3．3V直流電壓。數(shù)據(jù)采集模塊包括環(huán)境溫度采集和光照采集兩種。其中，溫度采集選用DS18B20作為溫度傳感器和ISL29010作為光照傳感器，通過在光照傳感器上覆蓋紅藍(lán)光濾光片以及軟件修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)光合作用有效波段監(jiān)測(cè)。時(shí)鐘模塊根據(jù)DS1302芯片手冊(cè)中典型電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間設(shè)制以及定時(shí)控制功能。同時(shí)，為滿足系統(tǒng)后期擴(kuò)展需求，將剩余I/O口作為備用擴(kuò)展口使用，以提高系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及二次開發(fā)能力。

2．2驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)及植物L(fēng)ED執(zhí)行器設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于精簡(jiǎn)功能設(shè)備，只完成調(diào)光控制命令接收與信號(hào)輸出功能，可減少外圍電路設(shè)計(jì)，降低了智能調(diào)光系統(tǒng)的成本。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)包括核心處理模塊、無線接收模塊、電源模塊和繼電器模塊。具體電路為:P1．0連接紅光LED驅(qū)動(dòng)電路，P1．1連接藍(lán)光LED驅(qū)動(dòng)電路，P1．5連接紅光信號(hào)繼電器，P1．6連接藍(lán)光信號(hào)繼電器。LED執(zhí)行器包括驅(qū)動(dòng)模塊及紅藍(lán)光LED燈組，由24V電源供電。驅(qū)動(dòng)模塊選擇PT4115驅(qū)動(dòng)芯片，是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模式的降壓恒流源，可用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆LED串聯(lián)。LED燈組根據(jù)植物生長(zhǎng)所需光環(huán)境由若干紅藍(lán)光LED按比例組成。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以IAR為軟件開發(fā)平臺(tái)，可以直接對(duì)Zig-Bee2007協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)移植，生成高效可靠的可執(zhí)行代碼，并對(duì)代碼進(jìn)行調(diào)試。代碼采用C語言開發(fā)，不僅有利于軟件代碼的可讀性，而且能夠滿足對(duì)硬件功能的調(diào)試和控制，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件主要包括節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)功能軟件兩個(gè)部分。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過程:首先，通過主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，選擇合適的信道組建網(wǎng)絡(luò)。在IEEEE802．15．4協(xié)議中，將2．4G頻段劃分16個(gè)信道，編號(hào)為11－26。本系統(tǒng)選擇默認(rèn)值11信道。構(gòu)建成功后，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)以直接方式加入網(wǎng)絡(luò)，即驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為主控節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，由主控節(jié)點(diǎn)向驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，作為其子設(shè)備命令。主控節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中起協(xié)調(diào)器作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。為確保系統(tǒng)安全可靠工作，系統(tǒng)采用分布式分配機(jī)制為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配自己的地址，主控節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)以后使用0x0000作為自己的短地址，在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，由主控設(shè)備隨機(jī)分配一個(gè)不重復(fù)的16位短地址作為自己唯一的地址來進(jìn)行通訊。主控節(jié)點(diǎn)控制軟件包括兩類傳感器解析函數(shù)、計(jì)算決策程序、參數(shù)設(shè)定程序、液晶顯示程序和時(shí)鐘程序等子程序;驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，在完成調(diào)光控制命令接收后，將控制信號(hào)輸出給繼電器和驅(qū)動(dòng)電路;LED執(zhí)行器根據(jù)調(diào)光控制命令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)紅藍(lán)光LED燈組狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫室光環(huán)境的多種方式以及無線控制。

4運(yùn)行結(jié)果

本設(shè)備已通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并應(yīng)用于西北農(nóng)林科技大學(xué)某實(shí)驗(yàn)基地。試驗(yàn)證明，系統(tǒng)可根據(jù)用戶實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、定時(shí)控制、閾值控制以及定量控制等多種控制方式調(diào)光，且所有控制命令均可采用無線傳輸方式進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸。其中，在閾值控制方式下，主控節(jié)點(diǎn)可完成溫室實(shí)時(shí)溫度、紅藍(lán)光光強(qiáng)等環(huán)境因子檢測(cè)，并基于光合作用機(jī)理精確決策溫室作物實(shí)際需光量;驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定接收實(shí)際調(diào)光數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確輸出給驅(qū)動(dòng)電路和繼電器，LED執(zhí)行器可根據(jù)控制命令準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED燈組輸出狀態(tài)。

5結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，可通過用戶實(shí)際需求選擇多種控制方式對(duì)溫室作物光環(huán)境進(jìn)行無線調(diào)控。其中，閾值控制方式綜合考慮作物光合作用影響因素，根據(jù)溫室溫度、紅藍(lán)光光強(qiáng)等環(huán)境因子精確計(jì)算作物實(shí)際需光量，實(shí)現(xiàn)了溫室光環(huán)境的實(shí)時(shí)按需調(diào)節(jié)。

（2）系統(tǒng)結(jié)合溫室實(shí)際生產(chǎn)條件，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸調(diào)光命令，有效降低了系統(tǒng)部署難度與維護(hù)成本;采用新一代LED光源，減少了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源。

（3）經(jīng)過實(shí)際部署和運(yùn)行證明，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確性高、部署簡(jiǎn)單和能耗少等優(yōu)點(diǎn)。

作者：樊宏攀 李建良 劉正道 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)