楊一成，辛政華，胡良益，張從雪

1.宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州，234000；2.宿州學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，安徽宿州，234000；3.宿州學(xué)院文學(xué)與傳媒學(xué)院，安徽宿州，234000；

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)方式主要是人工勞作，這種生產(chǎn)方式不僅單一，而且還不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)，無法及時(shí)供給水肥與管理，嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。我國(guó)作為人口和農(nóng)業(yè)大國(guó)，人們生活質(zhì)量問題一直受到各界人士的關(guān)注，地區(qū)均衡和溫飽問題長(zhǎng)期受到政府的高度重視。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的粗放型生產(chǎn)方式顯然已不能滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，并且?guī)淼馁Y源浪費(fèi)、環(huán)境污染等問題嚴(yán)重阻礙著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。當(dāng)前，基于物聯(lián)網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究致力于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。本文提出基于CC2530的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)是通過溫度、光照、濕度等無線傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫度狀況、光照強(qiáng)度以及空氣中所含水分狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化供給及指定手動(dòng)控制補(bǔ)給。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

基于CC2530的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)CC2530創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)套件為基礎(chǔ)平臺(tái)，由智能主板(協(xié)調(diào)器)、溫濕度傳感器、光敏傳感器、酒精度(GPIO)傳感器、直流電機(jī)和繼電器組組成的控制系統(tǒng)。以協(xié)調(diào)器為中心的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用ZigBee協(xié)議的無線通信方式，其中，ZigBee使用IEEE802.15.4無線個(gè)人局域網(wǎng)，能夠有效隔離802.11a及802.11b和g等無線局域網(wǎng)信號(hào)的干擾[1-2]。拓展節(jié)點(diǎn)溫濕度傳感器、光敏采集傳感器、酒精度(GPIO)傳感器分別布局在農(nóng)田適宜之處，并對(duì)節(jié)點(diǎn)做好防護(hù)措施。溫濕度傳感器采集空氣中溫濕度數(shù)據(jù)，傳送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器作為中央處理器調(diào)度空調(diào)機(jī)和抽水電機(jī)，系統(tǒng)中配置的空調(diào)機(jī)可以按數(shù)據(jù)需求提高或降低溫度，同時(shí)能夠增強(qiáng)干燥度，而抽水電機(jī)會(huì)依照協(xié)調(diào)器接收的濕度數(shù)據(jù)控制水量補(bǔ)給。光度采集傳感器采集光照數(shù)據(jù)后即通過ZigBee協(xié)議無線傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過調(diào)度繼電器組來控制燈光設(shè)備的斷開與閉合。本系統(tǒng)為了更為精確地處理和方便手工操作，由協(xié)調(diào)器通過RS232轉(zhuǎn)RJ-45網(wǎng)線連向網(wǎng)關(guān)主機(jī)，主控面板上可以清楚地看到作物生長(zhǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，并且可以人工控制[3]。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理圖如圖1和圖2。

圖1 系統(tǒng)的硬件連接圖

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要有智能主板、拓展節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)主機(jī)。系統(tǒng)的各個(gè)硬件聯(lián)系緊密，綜合考慮了各個(gè)部分的長(zhǎng)處和缺陷。

2.1 智能主板

智能主板即協(xié)調(diào)器，它不僅是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的中心，也是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中心，承擔(dān)著數(shù)據(jù)接收、處理與轉(zhuǎn)發(fā)的功能，上聯(lián)網(wǎng)關(guān)或用戶主機(jī)，下與各終端節(jié)點(diǎn)無線連接。協(xié)調(diào)器接收溫濕度傳感器發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)調(diào)度繼電器組控制空調(diào)機(jī)；接收濕度數(shù)據(jù)時(shí)，則會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到GPIO所在節(jié)點(diǎn)(酒精度節(jié)點(diǎn))，通過該節(jié)點(diǎn)調(diào)度GPIO接口來實(shí)現(xiàn)對(duì)抽水電機(jī)的控制。協(xié)調(diào)器接收光照數(shù)據(jù)時(shí)，同理調(diào)度繼電器組來控制燈光設(shè)備。協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)傳送主要分為兩種情況：一是數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器；二是數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)出。數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出的流程如圖3所示。

圖3 unlotted CSMA/CA工作流程圖

2.2 拓展節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)包括溫濕度傳感器、光照度采集傳感器、酒精度傳感器。溫濕度傳感器用以采集溫濕度數(shù)據(jù)，光敏傳感器用來探測(cè)光線補(bǔ)給情況，本系統(tǒng)的酒精度傳感器并非用來檢測(cè)環(huán)境中的酒精度值，而是借用其裝置的GPIO接口去實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。各節(jié)點(diǎn)電路具有統(tǒng)一性，電流傳感器量程在-2～+2 A；分度：0.01 A；電壓傳感器量程在-20V～+20 V；分度：0.01 V；溫度傳感器量程在-20～+130℃；分度：0.1℃；濕度傳感器量程為0～100%，分度：0.1%；光照度傳感器量程為0～10 000 Lx，分度：1 Lx；繼電器控制為3組24 V AC/DC@0.5 A 長(zhǎng)開觸點(diǎn)，帶瞬間電壓抑制。

2.3 網(wǎng)關(guān)主機(jī)

系統(tǒng)搭建了無線網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，能夠通過主機(jī)查看拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，了解當(dāng)前網(wǎng)內(nèi)所在節(jié)點(diǎn)情況。由于本網(wǎng)采用星狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分支節(jié)點(diǎn)可以自由融入或脫離。主機(jī)是通過RJ-45轉(zhuǎn)RS232連接至協(xié)調(diào)器(圖1、圖2)，網(wǎng)關(guān)由RS232與協(xié)調(diào)器相連。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序與操作系統(tǒng)

軟件運(yùn)行在智能主板和拓展節(jié)點(diǎn)等硬件之中，打開硬件電源，操作系統(tǒng)會(huì)初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、通用I/O接口，同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部的定時(shí)器和看門狗以及各個(gè)通信接口都會(huì)被初始化，之后便開始執(zhí)行主函數(shù)，查找優(yōu)先級(jí)較高的事件。操作系統(tǒng)查找到當(dāng)前要處理的事件，即開始層層調(diào)度，IIC是總線調(diào)度，用以數(shù)據(jù)傳輸和無線收發(fā)，Zigbee協(xié)議也是在其基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，A/D或D/A是數(shù)模轉(zhuǎn)換。程序代碼采用簡(jiǎn)單易懂的C語言進(jìn)行編寫，結(jié)合特定的宏編寫，使得程序的可讀性極好，邏輯性強(qiáng)，運(yùn)行效率提升，層層嵌套分部調(diào)用，極大地縮短了響應(yīng)時(shí)間，提高了響應(yīng)效率。系統(tǒng)的高穩(wěn)定性也與此息息相關(guān)[4-5]。

3.2 無線通信

系統(tǒng)的通信采用基于ZigBee協(xié)議的無線通信模式。Zigbee通信協(xié)議由IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)研制出的通信協(xié)議，包含了編號(hào)從0到26共有27個(gè)的物理信道。Zigbee協(xié)議中的27個(gè)信道被分為三個(gè)不同的頻段，按照規(guī)定僅有0號(hào)信道一個(gè)信道使用868 MHz頻段，而1到10號(hào)信道被規(guī)定使用915 MHz，2 400 MHz頻段是最大的頻段，占用11到26號(hào)共16個(gè)信道。該協(xié)議的使用必須符合當(dāng)?shù)毓芾聿块T的規(guī)定。系統(tǒng)利用ZigBee協(xié)議，在硬件上調(diào)用IIC總線，使打包后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一種無線電波發(fā)送出去，另一端同樣通過IIC總線并按照ZigBee協(xié)議集中固有模式接收，通常每個(gè)模塊都同時(shí)具有發(fā)送消息包和接收消息包的功能。ZigBee協(xié)議集中IIC控制收發(fā)代碼，以溫濕度節(jié)點(diǎn)調(diào)度端為例。

Static void IICControlSensor(uint16 SampleMode,uint16 SamplingSpeed,uint16 SensorID)

{

…………

switch(SensorID)

{

case resCode_Ultrasonic:

uwavetime=Ultrasonic_start();

if((uwavetime>3)&&(uwavetime<90))

{

*ADCdata=uwavetime*17/10;

osal_memcpy((void *)&(SendUpSBoardDataPacket.data),ADCdata,2);

SendUpSBoardDataPacket.Len=22;

Sendflag=1;

sendReport((uint8*)(&SendUpSBoardDataPacket),SendUpSBoardDataPacket.Len);

}

break;

default:break;

}

SendUpSBoardDataPacket.Hdr='@';

SendUpSBoardDataPacket.TransportID=0;

SendUpSBoardDataPacket.MSGCode=SENDUP_NODE_SBOARD_DATA;

SendUpSBoardDataPacket.NodeAddr=myShortAddr;

SendUpSBoardDataPacket.ModeID=SensorID;

}

4 結(jié) 論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷是致力于精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究，以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)工具，綜合考慮現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀和實(shí)驗(yàn)器材的限制。實(shí)驗(yàn)過程中，盡量模擬真實(shí)環(huán)境，使實(shí)驗(yàn)室溫度控制在24℃～26℃間，在溫度采集傳感器中設(shè)置控制值為24.5℃～26.5℃之間，初始化系統(tǒng)后，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。然后，實(shí)驗(yàn)小組成員打開窗戶對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行降溫，3 min 35 s后室內(nèi)溫度低于23.5℃，系統(tǒng)的蜂鳴器響應(yīng)，同時(shí)協(xié)調(diào)器端連接的空調(diào)機(jī)啟動(dòng)，開始給室內(nèi)供暖。又過2 min 15 s，溫度恢復(fù)到24.5℃～26.5℃范圍內(nèi)，如圖4，空調(diào)機(jī)停止工作。對(duì)濕度的控制，將相對(duì)濕度25～90%設(shè)置為合理濕度范圍，初始化系統(tǒng)后，系統(tǒng)正常。然后，小組成員用吹風(fēng)機(jī)在實(shí)驗(yàn)器材周圍進(jìn)行干化空氣水分，傳感器在約2 s時(shí)調(diào)動(dòng)蜂鳴器，同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器依據(jù)數(shù)值調(diào)動(dòng)抽水電機(jī)，對(duì)環(huán)境進(jìn)行補(bǔ)充水分。協(xié)調(diào)器與抽水電機(jī)連接狀態(tài)如圖5。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的初始階段，一直重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)成果的可用性，大量的實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)功能非常穩(wěn)定，響應(yīng)速度和效率都比較高，在實(shí)驗(yàn)的最后階段模擬了一系列環(huán)境測(cè)驗(yàn)，系統(tǒng)也很好地通過了測(cè)試。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的自動(dòng)控制，并且可以人工參與，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供一個(gè)有效的措施。

圖4 溫濕度傳感器測(cè)得的溫濕度值顯示在串口調(diào)試助手中圖5 溫濕度傳感器控制電機(jī)

參考文獻(xiàn)：

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