基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

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(qiáng)國，大力發(fā)展溫室農(nóng)業(yè)是提高我國農(nóng)業(yè)水平的重要途徑。溫室作為現(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，我國溫室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(gè)基本構(gòu)成，目前溫室的采集和控制大多采用線纜傳輸，當(dāng)傳感器和控制設(shè)備較多時(shí)，線路雜亂，施工難度大、成本高，維護(hù)升級(jí)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(duì)這些問題，本文設(shè)計(jì)了基于CC2530的溫室無線采集與控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了溫室多點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和無線上傳，而且實(shí)現(xiàn)了設(shè)備控制的無線化和自動(dòng)化，系統(tǒng)運(yùn)行過程中幾乎不需要人的參與，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(diǎn)采集數(shù)據(jù)，無線發(fā)送至中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)匯集各采集節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)并上傳到監(jiān)控計(jì)算機(jī)，監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、顯示和存儲(chǔ)，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果下達(dá)控制命令，并經(jīng)由中心節(jié)點(diǎn)無線發(fā)送給控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)采集與控制的自動(dòng)化和無線化。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

系統(tǒng)采用CC2530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ZigBee解決方案。CC2530的微處理器核心為一款增強(qiáng)型8051單片機(jī)，配有8KB的SRAM內(nèi)存和32/64/128/256KB容量可選的flash閃存，時(shí)鐘頻率達(dá)到32MHz，能滿足不同應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)處理的要求，休眠時(shí)自動(dòng)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(rèn)證頻段2.4GHz，采用DSSS擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)。

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)

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(hào)輸出，工作電壓3.3～5.5V，溫度測(cè)量范圍0～50℃，精度±2℃，濕度測(cè)量范圍20～90%RH，精度±5%RH。圖2是DHT11的電路連接圖。

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(diǎn)框架圖。

2.3 控制節(jié)點(diǎn)

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(shí)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(huì)分布不均，直接影響作物生長(zhǎng)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(duì)象為溫室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)用的風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)型號(hào)CBF-400防爆型軸流風(fēng)機(jī)，風(fēng)量2880m3/h，功率0.37kW，試驗(yàn)溫室面積為 10*8m2，采用兩臺(tái)這樣的風(fēng)機(jī)能很好地滿足要求。該風(fēng)機(jī)工作電壓220V/AC，采用直流繼電器驅(qū)動(dòng)，為提高驅(qū)動(dòng)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(gè)I/O引腳控制直流繼電器，從而控制風(fēng)機(jī)啟、停。圖4為控制節(jié)點(diǎn)框架圖。

3 軟件設(shè)計(jì)

3. 1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

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ZigBee、Bluetooth、Wi—Fi、UWB等，其中ZigBee以其低功耗、低速率、大網(wǎng)絡(luò)容量、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、高安全性等特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)湫问剑盒切?、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?fù)?，適合于不需要移動(dòng)的場(chǎng)合。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能自由地與周圍的節(jié)點(diǎn)通信，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇蓜?dòng)態(tài)調(diào)整，能夠滿足高移動(dòng)性的要求，而且網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(dòng)和后期擴(kuò)展，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1.2 程序結(jié)構(gòu)

節(jié)點(diǎn)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(jī)制來處理多任務(wù)。OSAL按優(yōu)先級(jí)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(jí)任務(wù)，立即跳轉(zhuǎn)進(jìn)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(jí)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(huì)轉(zhuǎn)入休眠，以節(jié)約能量。圖6是OSAL的任務(wù)處理流程圖。

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(diǎn)程序中添加了一個(gè)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(diǎn)程序中添加了一個(gè)SEND_CMD_EVENT任務(wù)，用于發(fā)送控制命令，控制節(jié)點(diǎn)中添加相應(yīng)的命令接收與解析程序。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)。圖7為上位機(jī)軟件顯示效果圖。該軟件由VC++6.0編寫完成，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)顯示各采集節(jié)點(diǎn)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(chǔ)為.txt文本文檔，保存到中心計(jì)算機(jī)的硬盤上，便于后續(xù)進(jìn)行溫室建模等深入研究。

4 系統(tǒng)測(cè)試

分別在外置電源和電池供電兩種模式下測(cè)試系統(tǒng)。

在外置電源供電時(shí)，節(jié)點(diǎn)在1秒采樣1次的較高采樣頻率下一直持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行;在兩節(jié)AA電池供電時(shí)，節(jié)點(diǎn)每2min采樣1次，其余時(shí)間進(jìn)入休眠，系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行一周?？紤]到溫室一般對(duì)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(zhǎng)。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(cè)試中的上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面，圖8為存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)格式。

在持續(xù)兩周的觀察期內(nèi)，軸流風(fēng)機(jī)啟、?？刂茰?zhǔn)確率為100%，控制可靠性很高。實(shí)驗(yàn)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(shí)用性。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境的無線監(jiān)測(cè)和設(shè)備的無線控制。無線采集節(jié)點(diǎn)可以方便地布置在溫室的不同位置，能夠有效地獲取整個(gè)溫室的環(huán)境信息。與傳統(tǒng)的溫室有線測(cè)量與控制系統(tǒng)相比，簡(jiǎn)化了布線任務(wù)，節(jié)省了人力成本。整個(gè)系統(tǒng)的成本較傳統(tǒng)有線系統(tǒng)更低，并且維護(hù)和升級(jí)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。