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          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          作者: 時間:2016-10-10 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          0 引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201610/306644.htm

          農(nóng)業(yè)是國家發(fā)展的基礎(chǔ)。中國是農(nóng)業(yè)大國,卻不是農(nóng)業(yè)強國,大力發(fā)展農(nóng)業(yè)是提高我國農(nóng)業(yè)水平的重要途徑。作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分,使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以不受氣候、地域的限制,大大地提高了作物產(chǎn)出。目前,我國的智能化和信息化水平仍十分落后。采集和控制是現(xiàn)代溫室的兩個基本構(gòu)成,目前溫室的采集和控制大多采用線纜傳輸,當傳感器和控制設(shè)備較多時,線路雜亂,施工難度大、成本高,維護升級困難,而且溫室的高溫度、高濕度、酸性環(huán)境極易造成線路腐蝕老化,影響系統(tǒng)的可靠性和安全性。針對這些問題,本文設(shè)計了基于的溫室與控制系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了溫室多點數(shù)據(jù)的實時采集和無線上傳,而且實現(xiàn)了設(shè)備控制的無線化和自動化,系統(tǒng)運行過程中幾乎不需要人的參與,具有很高的應(yīng)用價值。

          1 系統(tǒng)總體設(shè)計

          系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過若干分布在溫室中的傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù),無線發(fā)送至中心節(jié)點,中心節(jié)點匯集各采集節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)并上傳到監(jiān)控計算機,監(jiān)控計算機進行數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲,根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果下達控制命令,并經(jīng)由中心節(jié)點無線發(fā)送給控制設(shè)備,實現(xiàn)采集與控制的自動化和無線化。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          2 硬件設(shè)計

          2.1 主控芯片

          系統(tǒng)采用無線SOC作為主芯片,它將微處理器和無線射頻模塊集成到一塊芯片上,是TI公司推出的新一代解決方案。的微處理器核心為一款增強型8051單片機,配有8KB的SRAM內(nèi)存和32/64/128/256KB容量可選的flash閃存,時鐘頻率達到32MHz,能滿足不同應(yīng)用對數(shù)據(jù)處理的要求,休眠時自動切換到32KHz低頻模式,最大限度地降低能耗:無線射頻模塊的核心是CC2520芯片,工作在ISM免許可認證頻段2.4GHz,采用DSSS擴頻技術(shù),具有出色的接收靈敏度(-98dm)和鏈路預(yù)算(103dB),最大傳輸速率 250Kbps,完全符合IEEE802.15.4協(xié)議標準。

          2.2 傳感器節(jié)點

          本系統(tǒng)選用DHT11溫室兩用型數(shù)字傳感器,該傳感器為單總線數(shù)字信號輸出,工作電壓3.3~5.5V,溫度測量范圍0~50℃,精度±2℃,濕度測量范圍20~90%RH,精度±5%RH。圖2是DHT11的電路連接圖。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          DHT11通過一根數(shù)據(jù)線與CC2530模塊相連接,構(gòu)成采集模塊,一次讀取結(jié)束后,溫度和濕度數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)線上按位傳輸、圖3為傳感器節(jié)點框架圖。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          2.3 控制節(jié)點

          由于氣候多變,溫室經(jīng)常由于惡劣天氣等原因而不得不關(guān)閉窗戶,此時室內(nèi)空氣不流通,受溫室覆蓋材料散熱等原因影響,室內(nèi)溫度、濕度等重要的環(huán)境因子會分布不均,直接影響作物生長的均勻性,因此有必要采取室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)措施,使室內(nèi)氣候均勻、穩(wěn)定。

          本系統(tǒng)的控制對象為溫室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)用的風(fēng)機,風(fēng)機型號CBF-400防爆型軸流風(fēng)機,風(fēng)量2880m3/h,功率0.37kW,試驗溫室面積為 10*8m2,采用兩臺這樣的風(fēng)機能很好地滿足要求。該風(fēng)機工作電壓220V/AC,采用直流繼電器驅(qū)動,為提高驅(qū)動能力和抗干擾能力,增加了功率放大器和光耦隔離器件。CC2530主控板通過一個I/O引腳控制直流繼電器,從而控制風(fēng)機啟、停。圖4為控制節(jié)點框架圖。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          3 軟件設(shè)計

          3. 1 節(jié)點程序設(shè)計

          3.1.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

          目前常用的短距離無線通信協(xié)議有、Bluetooth、Wi—Fi、UWB等,其中以其低功耗、低速率、大網(wǎng)絡(luò)容量、動態(tài)組網(wǎng)、高安全性等特點成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范,物理層和介質(zhì)訪問控制層(MAC)基于 IEEE802.15.4協(xié)議標準。

          ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓撲形式:星型、樹型、網(wǎng)狀,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。星型網(wǎng)絡(luò)和樹型網(wǎng)絡(luò)不能改變網(wǎng)絡(luò)拓撲,適合于不需要移動的場合。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能自由地與周圍的節(jié)點通信,網(wǎng)絡(luò)拓撲可動態(tài)調(diào)整,能夠滿足高移動性的要求,而且網(wǎng)絡(luò)擴展十分方便。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模雖然不大,但為方便移動和后期擴展,采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          3.1.2 程序結(jié)構(gòu)

          節(jié)點的程序基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧, 它引入了操作系統(tǒng)抽象層OSAL(Operating System Abstraction Layer)機制來處理多任務(wù)。OSAL按優(yōu)先級從高到低的順序輪詢物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層是否有任務(wù)要執(zhí)行。若有高優(yōu)先級任務(wù),立即跳轉(zhuǎn)進入該任務(wù)處理子程序,處理結(jié)束后再次從最高優(yōu)先級開始新一輪查詢;若查詢結(jié)束 發(fā)現(xiàn)沒有任務(wù)要執(zhí)行,系統(tǒng)會轉(zhuǎn)入休眠,以節(jié)約能量。圖6是OSAL的任務(wù)處理流程圖。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          本系統(tǒng)采用的Z-Stack版本為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0,在采集節(jié)點程序中添加了一個SEND_DATA_EVENT任務(wù),用于執(zhí)行傳感器采集和數(shù)據(jù)發(fā)送功能;在中心節(jié)點程序中添加了一個SEND_CMD_EVENT任務(wù),用于發(fā)送控制命令,控制節(jié)點中添加相應(yīng)的命令接收與解析程序。

          3.2 上位機軟件設(shè)計

          傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機,上位機進行處理、存儲。圖7為上位機軟件顯示效果圖。該軟件由VC++6.0編寫完成,能夠?qū)崟r動態(tài)顯示各采集節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù),并繪制出變化曲線。采集到的數(shù)據(jù)按設(shè)定的格式存儲為.txt文本文檔,保存到中心計算機的硬盤上,便于后續(xù)進行溫室建模等深入研究。

          基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

          4 系統(tǒng)測試

          分別在外置電源和電池供電兩種模式下測試系統(tǒng)。

          在外置電源供電時,節(jié)點在1秒采樣1次的較高采樣頻率下一直持續(xù)穩(wěn)定運行;在兩節(jié)AA電池供電時,節(jié)點每2min采樣1次,其余時間進入休眠,系統(tǒng)能持續(xù)運行一周??紤]到溫室一般對采樣頻率要求不高,可以將采樣間隔設(shè)置為10分鐘甚至更長。若采用大容量電池,續(xù)航能力可以延續(xù)至數(shù)月甚至幾年,以適應(yīng)某些無法提供外置電源的工作環(huán)境。圖7為測試中的上位機數(shù)據(jù)顯示界面,圖8為存儲到計算機的數(shù)據(jù)格式。

          在持續(xù)兩周的觀察期內(nèi),軸流風(fēng)機啟、??刂茰蚀_率為100%,控制可靠性很高。實驗表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠,低功耗性能卓越,具有很高的實用性。

          5 結(jié)論

          本系統(tǒng)實現(xiàn)了溫室環(huán)境的無線監(jiān)測和設(shè)備的。節(jié)點可以方便地布置在溫室的不同位置,能夠有效地獲取整個溫室的環(huán)境信息。與傳統(tǒng)的溫室有線測量與控制系統(tǒng)相比,簡化了布線任務(wù),節(jié)省了人力成本。整個系統(tǒng)的成本較傳統(tǒng)有線系統(tǒng)更低,并且維護和升級都非常方便,為未來溫室的智能化、無線化提供了一種解決方案。



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