溫室中無線執(zhí)行器節(jié)點的設(shè)計

0 引言

溫室監(jiān)控系統(tǒng)建立的最終目的是為了獲取溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控溫室的正常運行，并通過分析數(shù)據(jù)得到作物生長與環(huán)境變化的規(guī)律。傳統(tǒng)的多點環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)一般都是通過有線通信(如RS-485 總線)的方式把環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的。有線通信的一個無法回避的問題是需要布線，它使系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及維護(hù)等的復(fù)雜度大幅提高，同時使系統(tǒng)的成本也大大增加，而且如果某一節(jié)點損壞有可能導(dǎo)致整個通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。由于溫室大棚占地面積大，采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)除了通信設(shè)備之間的物理線路連接還需要供電線路的支持。而采用無線技術(shù)后，系統(tǒng)精簡了通信和供電線路的鋪設(shè)，方便了系統(tǒng)的維護(hù)和擴展，對提高溫室的生產(chǎn)管理水平具有重要的意義。對于本設(shè)計而言，采用無線通信技術(shù)可以有效的解決采用有線通信所存在的問題，而且具有成本更低、不需要布線、可以任意增加或減少測量節(jié)點、維護(hù)方便等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)由無線測量節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點、匯聚節(jié)點和后臺管理系統(tǒng)三層組成，如圖1 所示。測量節(jié)點采集數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺管理系統(tǒng)。測量節(jié)點由51 兼容的射頻SoC 芯片nRF9E5 來實現(xiàn);執(zhí)行器節(jié)點采用基于ARM®CortexTM-M3 的微控制器LMS3S1968 和無線收發(fā)器nRF905 組成;匯聚節(jié)點采用處理能力更強的ARM9 和無線收發(fā)器nRF905 組成。

溫室中，大量的測量節(jié)點采用分散布撒的方式擺放于溫室中，負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境信息，并通過多跳的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點既負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集上傳，又系統(tǒng)中各個節(jié)點發(fā)送控制命令，還要通過Internet 網(wǎng)絡(luò)與后臺管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，由后臺管理系統(tǒng)控制溫室的環(huán)境參數(shù)和傳感器節(jié)點的管理。各個溫室內(nèi)的節(jié)點相互獨立，某個溫室中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障不會影響到其他節(jié)點的正常工作。

2 主要器件介紹

2.1 基于ARM Cortex-M3 的LM3S1968 微控制器

LM3S1968是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的Stellaris®系列、基于ARM®Cortex™-M3的微控制器。該Stellaris®系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于各種關(guān)注成本并明確要求具有的過程控制以及連接能力的應(yīng)用方案。

LM3S1968 微控制器是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計的，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機、工廠自動化、HVAC 和建筑控制、游戲設(shè)備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。其主要特性有32 位RISC 性能、采用與Thumb®兼容的Thumb-2 指令集以獲取更高的代碼密度、高達(dá)256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM、4 個通用定時器模塊、2 個SSI 模塊、2 個I2C 模塊、采樣速率為1000000 次/秒的8通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換、3 個獨立集成的模擬比較、3 個 PWM 發(fā)生器模塊、2 個QEI 模塊、多達(dá)52 個GPIO、片內(nèi)低壓差穩(wěn)壓器等。