李敏++劉穎++侯亞玲

摘 要： 系統(tǒng)以ARM LPC2378和無線射頻模塊為核心，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分。下位機(jī)作為數(shù)據(jù)采集模塊，并連接執(zhí)行裝置和各類傳感器，通過傳感器采集農(nóng)林環(huán)境數(shù)據(jù)，以一定時(shí)間間隔將各數(shù)據(jù)通過無線射頻模塊nRF905發(fā)送給上位機(jī)；上位機(jī)負(fù)責(zé)農(nóng)林環(huán)境的監(jiān)控，通過nRF905進(jìn)行農(nóng)林環(huán)境數(shù)據(jù)采集，并分析數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)異常時(shí)，上位機(jī)發(fā)送執(zhí)行信號(hào)給下位機(jī)，控制執(zhí)行單元工作，從而改善農(nóng)林環(huán)境，利于植物生長。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無線通信在數(shù)據(jù)采集及控制中的使用，傳輸距離較遠(yuǎn)，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： nRF905； LPC2378； 智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)； 農(nóng)林環(huán)境； 上位機(jī)； 下位機(jī)

中圖分類號(hào)： TN915.41?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0049?03

Design of intelligent agricultural system based on ARM and nRF905

LI Min， LIU Ying， HOU Ya?ling

（College of Information Engineering， Xian Eurasia University， Xian 710065， China）

Abstract： ARM LPC2378 and wireless radio frequency module are taken as the core of the system， and divided into two parts， master PC and slave PC. The slave PC is used as the data acquisition module and connected with the executive device and various sensors to collect agriculture and forestry environment data through sensors， and send each data to the master PC through radio frequency module nRF905 at a certain time interval. The master PC is responsible for agriculture and forestry environmental monitoring， execute agriculture and forestry environment data acquisition through the nRF905， and analyze data. When the data is unusual， the master PC sent an executive signal to the slave PC to control execution unit. The system can improve agriculture and forestry environment for the growth of plants. The system can realize the application of wireless communication in the data acquisition and control. Its transmission distance is far. It has widely application in the field of ecological environmental monitoring.

Keywords： nRF905； LPC2378； intelligent agricultural system； agriculture and forestry environment； master PC

0 引 言

我國是農(nóng)業(yè)大國，作物收成及蔬菜等農(nóng)作物的產(chǎn)量直接影響國民生活質(zhì)量水平，亦關(guān)系到農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格[1]。作物生長過程中，溫度及土壤濕度起著至關(guān)重要的作用。在苗木培育過程中，最值得考慮的問題就是，如何利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，改進(jìn)農(nóng)業(yè)的灌溉技術(shù)。合理的灌溉可以促進(jìn)植物的健康生長，特別是對一些需水量特別大的植物。合理的灌溉，既可以促進(jìn)植物的生長，增加苗木的產(chǎn)量，還可以節(jié)約日益緊缺的水資源。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[2]的不斷發(fā)展，越來越多的技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步應(yīng)用到了智慧農(nóng)業(yè)建設(shè)中，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的管理效率，提升了農(nóng)產(chǎn)品的附加值，加快了智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)步伐。目前，利用RFID、無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，準(zhǔn)確地確定發(fā)生問題的位置，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化[3]，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，這是當(dāng)前智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套無線農(nóng)林?jǐn)?shù)據(jù)采集控制裝置。系統(tǒng)分為收發(fā)兩部分，其核心都采用ARM LPC2378作為處理器，數(shù)據(jù)的無線收發(fā)通過射頻模塊nRF905實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了友好人機(jī)交互界面，以便于工作人員隨時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分構(gòu)成[4]。上位機(jī)由核心板和射頻模塊構(gòu)成，通過射頻模塊nRF905采集農(nóng)林環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過LCD屏動(dòng)態(tài)顯示，以便人們進(jìn)行監(jiān)測，并根據(jù)具體環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行控制[5]。

下位機(jī)系統(tǒng)包括四大部分：處理器單元，傳感器單元，射頻模塊單元和執(zhí)行模塊單元。處理器單元為NXP LPC2378，傳感器單元包括農(nóng)林溫度檢測和土壤濕度檢測；執(zhí)行模塊單元連接電磁閥，通過上位機(jī)的控制信號(hào)打開電磁閥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林灌溉。下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

溫度傳感器采用DS18B20，用于檢測農(nóng)業(yè)環(huán)境溫度[6]；土壤濕度傳感器采用YL?69，檢測土壤相對濕度。系統(tǒng)每30 s循環(huán)采樣一次，將采樣數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送出去。

上位機(jī)處于等待接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，如果射頻模塊檢測到同頻段射頻信息，且發(fā)送地址和接收機(jī)地址一致，則射頻模塊會(huì)接收數(shù)據(jù)。一幀數(shù)據(jù)接受完畢后，CPU通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)地顯示于人機(jī)交互界面LCD屏。

一旦上位機(jī)檢測到環(huán)境數(shù)據(jù)有異常，則意味著當(dāng)前環(huán)境不利于作物生長，上位機(jī)會(huì)給出相應(yīng)的提示信息，提示事件處理。操作者通過LCD觸摸屏給出控制信息，通過上位機(jī)的射頻模塊發(fā)出，下位機(jī)接收到這個(gè)控制信息，觸發(fā)執(zhí)行裝置，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，來改善當(dāng)前的農(nóng)業(yè)環(huán)境。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

收發(fā)系統(tǒng)分別以ARM處理器LPC2378為核心，供電電源為3.3 V，射頻模塊通過SPI接口和核心板連接，實(shí)現(xiàn)收發(fā)數(shù)據(jù)和處理器的交互[7]。

2.1 nRF905簡介

nRF905是單片射頻發(fā)射芯片，可實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸，工作速可達(dá)50 Kb/s，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合；在開闊地帶，傳輸距離可達(dá)300 m，具體距離視情況而定；接收靈敏度高，125個(gè)頻道可滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要；低功耗的工作方式，一般使用3.3 V電源供電，待機(jī)模式狀態(tài)下電流僅為2.5 μA，收發(fā)模式可自由切換，轉(zhuǎn)換時(shí)間<650 μs；芯片內(nèi)置寄存器，可以軟件設(shè)置地址，只有在接收到本機(jī)地址后，才會(huì)接收相應(yīng)數(shù)據(jù)。

nRF905的工作模式有四種：掉電模式，SPI模式，發(fā)射和接收模式。模式的設(shè)置由其3個(gè)引腳決定，通過編程進(jìn)行控制。其工作模式見表1。

表1 nRF905工作模式設(shè)置

[PWR_UP＼&TRX_CE＼&TRX_EN＼&工作模式＼&0＼&X＼&X＼&掉電或ISP＼&1＼&0＼&X＼&空閑和SPI編程＼&1＼&1＼&0＼&接收模式＼&1＼&1＼&1＼&發(fā)射模式＼&]

2.2 nRF905軟硬件設(shè)置

nRF905模塊[VCC]供電電壓為3.3 V，其他引腳可以和5 V的I/O口直接相連，3 V左右的I/O口更加適用。本系統(tǒng)核心單元模塊工作電壓為3.3 V，因此，模塊和核心板可以直接相連。SPI接口直接連接核心板SPI模塊接口，控制引腳及信號(hào)檢測引腳直接連接GPIO端口，nRF905接地引腳和模板邏輯地連接，[VCC]和母版上輸出電壓為3.3 V的接口直接相連，盡量簡化電路。

通過配置nRF905內(nèi)部寄存器，可以設(shè)定收發(fā)頻段、本地地址、每幀數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)校驗(yàn)類型等。設(shè)置的數(shù)據(jù)通過SPI總線直接寫入nRF905的配置寄存器。

nRF905的SPI總線的工作特點(diǎn)是片選低電平有效。在第一個(gè)SCK的上升沿開始讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的采樣在上升沿進(jìn)行，輸出在下降沿進(jìn)行。數(shù)據(jù)的輸出輸入是高位在前，低位在后。在軟件里，SPI的工作方式設(shè)定為0，高位在前。LPC2378 SPI模塊的工作特點(diǎn)是作為主機(jī)，SPI通過MOSI向外部寫數(shù)據(jù)的同時(shí)，會(huì)從MISO讀取數(shù)據(jù)，主機(jī)的讀寫是一個(gè)函數(shù)。

Uint8 spiwriteread（uint8 data）

{

S0SPDR = data；

While（0==（S0SPSR &0X80））；

Return（S0SPDR）；

}

nRF905發(fā)送程序設(shè)計(jì)：

（1） 工作模式設(shè)定為SPI，寫配置寄存器，寫接收機(jī)地址，寫發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2） 把工作模式改為發(fā)送模式，發(fā)送地址及數(shù)據(jù)。

（3） 檢測發(fā)送信號(hào)：數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)，DR引腳會(huì)自動(dòng)置高。通過判定DR引腳的電平狀態(tài)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢。

數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，DR引腳會(huì)自動(dòng)置高，通過等待語句‘while（DR==0）；等待數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)DR引腳置高之后，延時(shí)一段時(shí)間，引腳會(huì)自動(dòng)變低。發(fā)送流程圖如圖3所示。

圖3 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

nRF905接收程序設(shè)計(jì)：

（1） 工作模式設(shè)定為SPI，寫配置寄存器，寫接收機(jī)地址。

（2） 等待接收數(shù)據(jù)。檢測到同頻段波段，CD自動(dòng)置高；檢測到地址相符，AM自動(dòng)置高；接收完一幀數(shù)據(jù)，DR自動(dòng)置高。

（3） 通過判定CD，AM，DR引腳的電平狀態(tài)，判定數(shù)據(jù)是否接收完畢。

（4） 通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)。

接收數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。

寫完配置信息后，nRF905會(huì)檢測同頻段的波段，發(fā)送及接收端都設(shè)置為433 MHz。檢測到之后，CD引腳會(huì)自動(dòng)置1。之后，會(huì)對比發(fā)送地址是否和本地地址一致，如果地址不一致，則不接收數(shù)據(jù)；如果地址一致，DR引腳會(huì)自動(dòng)置1，而后把接收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)寄存器中，接收完數(shù)據(jù)，DR引腳自動(dòng)置1。程序通過判定此3引腳的狀態(tài)來判斷數(shù)據(jù)是否接收完畢，語句while（DR||CD||DR）用于等待這3個(gè)引腳全部置高，之后切換為SPI狀態(tài)，主機(jī)讀取所接收到的數(shù)據(jù)。適當(dāng)延時(shí)之后，這3個(gè)引腳狀態(tài)會(huì)自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健?/p>

在設(shè)計(jì)軟件的時(shí)候，需要注意狀態(tài)之間切換的延時(shí)時(shí)間要大于650 μs。延時(shí)時(shí)間不夠，可能無法接收到正確的數(shù)據(jù)。狀態(tài)切換參看表1。

2.3 傳感器裝置的設(shè)置

下位機(jī)模塊連接各種農(nóng)林環(huán)境檢測傳感器，包括溫度檢測和土壤濕度檢測。

LPC2378擁有豐富的內(nèi)部資源及較多的外部接口，各傳感器的運(yùn)用技術(shù)成熟，電路連接簡單。

系統(tǒng)中溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20是常用的溫度檢測傳感器，溫度分辨率可達(dá)0.062 5；引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及數(shù)字輸入端；供電電壓為3～5 V。傳感器3個(gè)引腳通過導(dǎo)線連接，[VCC，]GND和母板直接相連，數(shù)字輸入端和GPIO端口直接連接。

土壤濕度傳感器模塊采用YL?69，其探頭直接插入土壤中，通過土壤中水分含量的多少改變阻值，從而改變輸入端電壓值；母板通過檢測輸入電壓的大小，檢測土壤的相對濕度。YL?69和母板相連的引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及AD輸入端。[VCC，]GND和母板直接連接，AD輸入端與母板AD通道直接連接。LPC2378內(nèi)部包含AD轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊都有8個(gè)AD 輸入通道，所以不用外置AD轉(zhuǎn)換模塊，直接連接即可。電路連接簡單方便，軟件設(shè)計(jì)容易。

傳感器模塊設(shè)定每30 s循環(huán)檢測一次，依次將檢測到的數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)送出去。

2.4 執(zhí)行裝置的設(shè)置

執(zhí)行模塊的作用是驅(qū)動(dòng)電磁閥，使繼電器閉合[8]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉控制。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

其中，[T1]是電平交換，[T2]是功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，D1是并接在電磁閥線圈兩段的阻尼二極管，用以防止驅(qū)動(dòng)管[T2]擊穿損壞。

通過GPIO輸出高低電平，從而控制繼電器的閉合[9]。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的精簡，減少了布線麻煩[10]。系統(tǒng)可根據(jù)檢測到的土壤濕度狀況控制灌溉。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用低功耗設(shè)計(jì)，通過修改相關(guān)控制寄存器的參數(shù)使主控板處于低功耗模式，nRF905在空閑模式及SPI模式時(shí)處于省電狀態(tài)，低功耗的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作時(shí)間更長。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件裝置和灌溉裝置集于一體，很大程度上減少了硬件裝置。通過對灌溉裝置的正確選擇，可以將系統(tǒng)用于蔬菜大棚灌溉、草坪灌溉、農(nóng)田灌溉等多種場合，應(yīng)用前景良好，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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系統(tǒng)中溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20是常用的溫度檢測傳感器，溫度分辨率可達(dá)0.062 5；引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及數(shù)字輸入端；供電電壓為3～5 V。傳感器3個(gè)引腳通過導(dǎo)線連接，[VCC，]GND和母板直接相連，數(shù)字輸入端和GPIO端口直接連接。

土壤濕度傳感器模塊采用YL?69，其探頭直接插入土壤中，通過土壤中水分含量的多少改變阻值，從而改變輸入端電壓值；母板通過檢測輸入電壓的大小，檢測土壤的相對濕度。YL?69和母板相連的引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及AD輸入端。[VCC，]GND和母板直接連接，AD輸入端與母板AD通道直接連接。LPC2378內(nèi)部包含AD轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊都有8個(gè)AD 輸入通道，所以不用外置AD轉(zhuǎn)換模塊，直接連接即可。電路連接簡單方便，軟件設(shè)計(jì)容易。

傳感器模塊設(shè)定每30 s循環(huán)檢測一次，依次將檢測到的數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)送出去。

2.4 執(zhí)行裝置的設(shè)置

執(zhí)行模塊的作用是驅(qū)動(dòng)電磁閥，使繼電器閉合[8]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉控制。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

其中，[T1]是電平交換，[T2]是功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，D1是并接在電磁閥線圈兩段的阻尼二極管，用以防止驅(qū)動(dòng)管[T2]擊穿損壞。

通過GPIO輸出高低電平，從而控制繼電器的閉合[9]。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的精簡，減少了布線麻煩[10]。系統(tǒng)可根據(jù)檢測到的土壤濕度狀況控制灌溉。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用低功耗設(shè)計(jì)，通過修改相關(guān)控制寄存器的參數(shù)使主控板處于低功耗模式，nRF905在空閑模式及SPI模式時(shí)處于省電狀態(tài)，低功耗的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作時(shí)間更長。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件裝置和灌溉裝置集于一體，很大程度上減少了硬件裝置。通過對灌溉裝置的正確選擇，可以將系統(tǒng)用于蔬菜大棚灌溉、草坪灌溉、農(nóng)田灌溉等多種場合，應(yīng)用前景良好，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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系統(tǒng)中溫度傳感器采用DS18B20，DS18B20是常用的溫度檢測傳感器，溫度分辨率可達(dá)0.062 5；引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及數(shù)字輸入端；供電電壓為3～5 V。傳感器3個(gè)引腳通過導(dǎo)線連接，[VCC，]GND和母板直接相連，數(shù)字輸入端和GPIO端口直接連接。

土壤濕度傳感器模塊采用YL?69，其探頭直接插入土壤中，通過土壤中水分含量的多少改變阻值，從而改變輸入端電壓值；母板通過檢測輸入電壓的大小，檢測土壤的相對濕度。YL?69和母板相連的引腳有3個(gè)，[VCC，]GND以及AD輸入端。[VCC，]GND和母板直接連接，AD輸入端與母板AD通道直接連接。LPC2378內(nèi)部包含AD轉(zhuǎn)換模塊，每個(gè)模塊都有8個(gè)AD 輸入通道，所以不用外置AD轉(zhuǎn)換模塊，直接連接即可。電路連接簡單方便，軟件設(shè)計(jì)容易。

傳感器模塊設(shè)定每30 s循環(huán)檢測一次，依次將檢測到的數(shù)據(jù)通過射頻發(fā)送出去。

2.4 執(zhí)行裝置的設(shè)置

執(zhí)行模塊的作用是驅(qū)動(dòng)電磁閥，使繼電器閉合[8]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉控制。驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

其中，[T1]是電平交換，[T2]是功率驅(qū)動(dòng)級(jí)，D1是并接在電磁閥線圈兩段的阻尼二極管，用以防止驅(qū)動(dòng)管[T2]擊穿損壞。

通過GPIO輸出高低電平，從而控制繼電器的閉合[9]。

3 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的精簡，減少了布線麻煩[10]。系統(tǒng)可根據(jù)檢測到的土壤濕度狀況控制灌溉。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用低功耗設(shè)計(jì)，通過修改相關(guān)控制寄存器的參數(shù)使主控板處于低功耗模式，nRF905在空閑模式及SPI模式時(shí)處于省電狀態(tài)，低功耗的設(shè)計(jì)使系統(tǒng)工作時(shí)間更長。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件裝置和灌溉裝置集于一體，很大程度上減少了硬件裝置。通過對灌溉裝置的正確選擇，可以將系統(tǒng)用于蔬菜大棚灌溉、草坪灌溉、農(nóng)田灌溉等多種場合，應(yīng)用前景良好，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

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