方睿舟，吳 磊，王 驍

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，江蘇南京210095)

1 引言

大棚是一個特殊的蔬菜生產(chǎn)設(shè)備，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，其在日常生活中已隨處可見?，F(xiàn)如今，大棚已不僅僅滿足于盆栽，果樹等一些常見的農(nóng)作物的種植，更加向著滿足的像一些經(jīng)濟(jì)作物尤其是一些稀有花卉的生長條件發(fā)展。但是，光靠植物種植者們靠經(jīng)驗栽培顯然缺乏量化指標(biāo)，而單片機(jī)控制溫濕度的良好特性正好為此類問題提出了解決方案。

智能大棚的快速成長得益于我國改革開放以來農(nóng)業(yè)向著更高層次智能化、規(guī)模化發(fā)展所取得的一系列技術(shù)上的突破。但就我國目前的智能大棚研究而言，仍然存在著科技含量低、環(huán)境調(diào)控技術(shù)與設(shè)備落后，缺乏具體指標(biāo)、軟件處理不到位、先進(jìn)技術(shù)不適應(yīng)國情等諸多問題。為此，本文提出了一種基于CC2530模塊的并運用時興的WIFI技術(shù)的控制系統(tǒng)。

2 控制系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)主要是對溫室內(nèi)部的溫濕度進(jìn)行測試與控制。該系統(tǒng)由溫濕度傳感器無線采集節(jié)點(圖1中的模塊2、3)、ZigBee協(xié)調(diào)器(圖1中的模塊1)、上位主機(jī)(圖中PC機(jī))三個部分組成。溫濕度傳感器采集節(jié)點安放在適當(dāng)?shù)奈恢脤Υ笈餃貪穸冗M(jìn)行采集，并將該信息通過ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。此時，ZigBee協(xié)調(diào)器利用無線組網(wǎng)后的網(wǎng)絡(luò)將收集的信息傳遞到上位機(jī)。上位機(jī)的作用是處理數(shù)據(jù)并且對溫度和濕度實現(xiàn)實時顯示。當(dāng)出現(xiàn)溫濕度異常時，上位機(jī)發(fā)出指令并傳遞到ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接受指令并執(zhí)行命令，控制繼電器從而控制溫濕度調(diào)節(jié)器，達(dá)到調(diào)節(jié)大棚溫濕度的目的。值得一提的是，采集節(jié)點的數(shù)據(jù)分析能力、記憶能力與通信能力不錯，它很好地銜接起傳感器網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)，完成了兩種協(xié)議棧之間的通信協(xié)議的改變，同時能實現(xiàn)對節(jié)點本身監(jiān)控并將所收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至外 部網(wǎng)絡(luò)。

圖1 總體設(shè)計框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

鑒于我國農(nóng)業(yè)環(huán)境要求特別，溫濕度檢測模塊的大小勢必受到限制，與此同時，系統(tǒng)要求快速性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性要好。而該設(shè)計方案應(yīng)用了基于專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器來測量濕度，它自身能夠輸出已校準(zhǔn)的溫濕度復(fù)合數(shù)字信號，它使用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，產(chǎn)品性能穩(wěn)定性。該傳感器包含感濕元件和NTC元件并與內(nèi)置的單片機(jī)相連。該傳感器反應(yīng)快速性、穩(wěn)定性好，造價低。但本設(shè)計只用其作為濕度傳感器。

為了使溫濕度分開檢測(溫濕度檢測位置不同)，該系統(tǒng)使用DS18B20作為溫度傳感器，本傳感器具有較好的抗干擾能力，適用于各種惡劣環(huán)境，便宜等優(yōu)點。其所檢測的最高溫度為+125℃，最低溫能夠達(dá)到零下55℃而在10到85℃范圍之內(nèi)，精度為正負(fù)0.5℃ 。在使用中不需要任何外圍元件。通過內(nèi)在的寄生電路便可以保證本身供電方式多樣的DS18B20從數(shù)據(jù)線上獲得足夠的電能。因此，數(shù)據(jù)線時序符合一定的要求時，不需要依靠外圍電源，簡潔易用。另外，DS18B20體積小，經(jīng)濟(jì)性好，電壓適用范圍廣，因此非常適合我們采用其作為大棚內(nèi)的溫度傳感器。

3.2 外圍電路設(shè)計及節(jié)點電路描述

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，總體設(shè)計的模塊化的思想使其控制器整體性能更佳，結(jié)構(gòu)更緊湊。CC2530擁有連接外部設(shè)備的I/O口，可收發(fā)數(shù)據(jù)，控制外圍電路。因此，無論是繼電器、復(fù)位開關(guān)，還是電源、傳感器、天線，通過插針，它們都能作為外設(shè)構(gòu)成整個模塊的一部分。而傳感器是外設(shè)是最為重要的部分，它是采集數(shù)據(jù)的初始來源，同時為了與系統(tǒng)更好的匹配，所采用每個傳感器必須在軟件和硬件上完全兼容。本設(shè)計采集節(jié)點中我們采用低成本、可更換、能耗低的數(shù)字式傳感器，它們先把把采集到的溫度，濕度等信息儲存在CC2530的存儲器中，然后節(jié)點每隔一段時間節(jié)點就會發(fā)送這些數(shù)據(jù)信息到ZigBee協(xié)調(diào)器。因為CC2530內(nèi)部已經(jīng)集成了多個功能模塊，所以外部電路并不需要重復(fù)地表現(xiàn)它們，其設(shè)計也因此大大的得到了優(yōu)化。

如圖2所示，其中，將兩個負(fù)載電容(C10和C11)分別與一個外圍32－MHz振蕩器X2的兩端相連。X1是一個可供任意使用的32.768－kHz晶振，它有兩個負(fù)載電容(C8和C9)用于32.768－kHz晶振。32.768 kHz晶體主要應(yīng)用于睡眠電流相對較低的損耗和準(zhǔn)確的喚醒時間。32－MHz晶振中可見的負(fù)載電容與32.768－kHz晶振可見的負(fù)載電容可由下面左右兩式求得。

圖2 晶振、天線電路及傳感器電路的設(shè)計

至于射頻天線，需要考慮以下一些問題:天線形狀、輸出方向、天線長度、天線的材料。對于傳感器節(jié)點，由于其處于不可預(yù)期的傳感器節(jié)點周圍，因此一般選擇全向天線。另外它必須是單極子天線，這是一種諧振天線，其波長為1/4。該天線的設(shè)計非常簡單，而且可以設(shè)計為線性的，結(jié)合到PCB板中也不復(fù)雜。在天線電路設(shè)計中，巴倫電路可抗干擾、噪聲等外部干擾。巴倫電路中離散電感和電容成本也不高，很好實現(xiàn)。巴倫電路中的電感、電容大小可由以下兩式確定。

在選擇天線的材料時還要注意Q值，即品質(zhì)因素。一般來說，Q值越高表示損耗越小。對天線來說，帶寬是中心頻點與品質(zhì)因素的比值，所以當(dāng)帶寬為定值時，Q值就必須要有一定的數(shù)值范圍。其實，換能器件一般都受Q值的影響，比如在電感器件中，它是感抗與等效損耗電阻之比，這也是評價電感器件的主要因素。天線也可被視作一個換能裝置，電磁波信號改變?yōu)殡娏餍盘?，故它與Q值的關(guān)系是密不可分的。與其它電子元器件要求較高的Q值不同，天線反而要求較低的Q值，以便于電磁波能以更加高效的方式，在周圍的空間內(nèi)進(jìn)行傳播。

對于溫度傳感器DS18B20，將單條信號線直接連接芯片的P0_0引腳。對于檢測濕度用的傳感器用DHT11作為檢測工具，該傳感器有兩根數(shù)據(jù)總線，一根為數(shù)字量的串行總線，另一根為模擬量的串行總線。輸出信號如果是模擬量，要使其通過A/D芯片，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后傳送給單片機(jī)。但是，直接轉(zhuǎn)為數(shù)字量要方便得多，于是，直接將數(shù)字信號端連在芯片的P1_0引腳，模擬信號端空置。前兩者情況下，兩個傳感器的數(shù)據(jù)線都得接上一個上拉電阻，讓輸出的數(shù)字量趨于穩(wěn)定。

對于PCB布線問題，為了減少阻抗衰減應(yīng)使兩線盡量粗，而且還要對稱布置，盡量通過合理的布線將CC2530的收發(fā)距離提高。硬件設(shè)計關(guān)鍵的地方是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計，因為這個地方兼?zhèn)渲鴶?shù)字與高頻方面的電路特點。元件布局上盡量做到相同功能的電子元件集中，整體上要保證對板面空間的合理高效利用，這也有助于加工成本的降低;數(shù)字信號線布線上做到合理，不唐突;高頻部分中的電感、電容布需要匹配天線電路，也應(yīng)該做到干擾盡量少。節(jié)點接口需要采用一個雙排的接插件，確保其結(jié)構(gòu)堅固耐用。設(shè)計其電源電路時電源去耦和過濾必須添加合適的電源去耦以獲得最佳的性能。本設(shè)計中PCB圖如圖3所示。

圖3 PCB板的設(shè)計

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在進(jìn)行程序設(shè)計時，使用IarIdePm軟件編寫C語言進(jìn)行程序調(diào)試。在設(shè)計時從以下幾個面進(jìn)行考慮:

(1)高效使用單片機(jī)資源，包括中斷控制器、內(nèi)存仲裁器以及外接電子元件單元;

(2)結(jié)構(gòu)集成、模塊集成，子模塊處理實現(xiàn)其功用;

主程序主要完成溫濕度的采集、數(shù)據(jù)處理、通信、參數(shù)設(shè)定、溫濕度控制等功能，包括主程序模塊、DHT11信號采集控制模塊、串行通信程序模塊、顯示輸出模塊等。

4.1 主程序模塊

首先，在主函數(shù)中對各個子函數(shù)模塊進(jìn)行調(diào)用，在進(jìn)入主循環(huán)函數(shù)之前，對將要調(diào)用的具體參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。進(jìn)入毫秒級延時函數(shù)，延時約一秒，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來，對串口初始化。進(jìn)入主循環(huán)后開始向上位機(jī)發(fā)送指令，上位機(jī)接收指令后，應(yīng)答所接收的指令，然后進(jìn)行初始化顯示。在執(zhí)行主循環(huán)函數(shù)時，遇到DHT11子函數(shù)時，進(jìn)入該函數(shù)。執(zhí)行完后再執(zhí)行溫濕度控制子程序，完畢后，將溫濕度的轉(zhuǎn)換成字符串通過串口通信子函數(shù)將數(shù)據(jù)傳到電腦上可以看到當(dāng)前的溫濕度值。設(shè)計的流程圖如下:

4.2 DHT11數(shù)據(jù)采樣模塊

被執(zhí)行芯片根據(jù)程序向DHT11發(fā)送一個脈沖，此時，DHT11接收脈沖，將采集到的數(shù)據(jù)通過信號線以二進(jìn)制形式將信息傳入處理器。處理器收集數(shù)據(jù)形式為讀取高電平時隙，當(dāng)單片機(jī)讀取高電平時間在24－26μs時為0，在116－118μs時為1。

采集到數(shù)據(jù)后，相關(guān)數(shù)據(jù)格式為:溫度整小數(shù)部分與濕度整小數(shù)部分共四個字節(jié)之和等于校驗和。如果校驗和等于所采集的前四個字節(jié)之和，則數(shù)據(jù)真實，否則再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到采集值校驗正確為止。綜合考慮到DHT11的溫度精度、靈敏度問題，還有采集溫濕度時最佳安放位置不同問題，采用DS18B20代替DHT11采集溫度。因此，單片機(jī)處理溫濕度數(shù)值時，僅讀取濕度部分，把溫度部分去掉不讀取。于是，處理器將收集到的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)形式，然后將數(shù)據(jù)通過RS232傳入PC進(jìn)行顯示，并將顯示值與環(huán)境實際濕度值作比較，調(diào)節(jié)采集到的數(shù)據(jù)，使顯示值接近于真實值。

4.3 DS18B20 測溫模塊

主程序訪問DS18B20初始化子程序時，I/O口發(fā)出480μs左右低電平的復(fù)位脈沖，再將端口變?yōu)?5到60μs的高電平，讓主機(jī)等待其發(fā)回60－240μs的脈沖，把這I/O引腳處的電平置高。

進(jìn)入寫時序函數(shù)時，I/O口首先向DS18B20產(chǎn)生一個下降沿，讓低電平持續(xù)1μs以上，然后由I/O口向傳感器寫數(shù)據(jù)。當(dāng)向其內(nèi)部寫入“1”時，將I/O口拉為高電平持續(xù)60μs以上，以便讓傳感器有足夠的讀取時間，寫完后將I/O口拉高。若寫“0”時，同理，將I/O口拉為低電平并持續(xù)60μs以上，寫完后將I/O口拉高，但相鄰兩個數(shù)據(jù)時間差大于1μs。

單片機(jī)通過I/O口向傳感器發(fā)出跳過命令［CCH］之后發(fā)讀暫存器命令［BEH］，單片機(jī)立即產(chǎn)生讀時隙讀取低8位數(shù)據(jù)，在讀取高8位數(shù)據(jù)。綜前所述，所有讀取時間間隙必須至少維持60μs，同時，讀取相鄰兩個數(shù)據(jù)時的時間大于1us。所有的讀時隙都由I/O口拉低至少1μs后再拉高為高電平。準(zhǔn)備工作完成后，I/O口開始接收由DS18B20傳過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到一個高電平時，為邏輯“1”，反之為邏輯“0”。當(dāng)發(fā)送0的時候，傳感器在讀時隙的末期會產(chǎn)生高電平，輸出的數(shù)據(jù)在下降沿產(chǎn)生15μs后才能有效。

圖5 主程序模塊設(shè)計

4.2 DHT11數(shù)據(jù)采樣模塊

被執(zhí)行芯片根據(jù)程序向DHT11發(fā)送一個脈沖，此時，DHT11接收脈沖，將采集到的數(shù)據(jù)通過信號線以二進(jìn)制形式將信息傳入處理器。處理器收集數(shù)據(jù)形式為讀取高電平時隙，當(dāng)單片機(jī)讀取高電平時間在24－26μs時為0，在116－118μs時為1。

采集到數(shù)據(jù)后，相關(guān)數(shù)據(jù)格式為:溫度整小數(shù)部分與濕度整小數(shù)部分共四個字節(jié)之和等于校驗和。如果校驗和等于所采集的前四個字節(jié)之和，則數(shù)據(jù)真實，否則再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，直到采集值校驗正確為止。綜合考慮到DHT11的溫度精度、靈敏度問題，還有采集溫濕度時最佳安放位置不同問題，采用DS18B20代替DHT11采集溫度。因此，單片機(jī)處理溫濕度數(shù)值時，僅讀取濕度部分，把溫度部分去掉不讀取。于是，處理器將收集到的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)形式，然后將數(shù)據(jù)通過RS232傳入PC進(jìn)行顯示，并將顯示值與環(huán)境實際濕度值作比較，調(diào)節(jié)采集到的數(shù)據(jù)，使顯示值接近于真實值。

4.3 DS18B20 測溫模塊

主程序訪問DS18B20初始化子程序時，I/O口發(fā)出480μs左右低電平的復(fù)位脈沖，再將端口變?yōu)?5到60μs的高電平，讓主機(jī)等待其發(fā)回60－240us的脈沖，把這I/O引腳處的電平置高。

進(jìn)入寫時序函數(shù)時，I/O口首先向DS18B20產(chǎn)生一個下降沿，讓低電平持續(xù)1μs以上，然后由I/O口向傳感器寫數(shù)據(jù)。當(dāng)向其內(nèi)部寫入“1”時，將I/O口拉為高電平持續(xù)60μs以上，以便讓傳感器有足夠的讀取時間，寫完后將I/O口拉高。若寫“0”時，同理，將I/O口拉為低電平并持續(xù)60μs以上，寫完后將I/O口拉高，但相鄰兩個數(shù)據(jù)時間差大于1μs。

單片機(jī)通過I/O口向傳感器發(fā)出跳過命令［CCH］之后發(fā)讀暫存器命令［BEH］，單片機(jī)立即產(chǎn)生讀時隙讀取低8位數(shù)據(jù)，在讀取高8位數(shù)據(jù)。綜前所述，所有讀取時間間隙必須至少維持60μs，同時，讀取相鄰兩個數(shù)據(jù)時的時間大于1μs。所有的讀時隙都由I/O口拉低至少1μs后再拉高為高電平。準(zhǔn)備工作完成后，I/O口開始接收由DS18B20傳過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到一個高電平時，為邏輯“1”，反之為邏輯“0”。當(dāng)發(fā)送0的時候，傳感器在讀時隙的末期會產(chǎn)生高電平，輸出的數(shù)據(jù)在下降沿產(chǎn)生15μs后才能有效。

5 本系統(tǒng)的實際應(yīng)用

現(xiàn)如今，很多農(nóng)作物尤其是對生存條件要求苛刻的花卉類植物，又對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化控制提出了新的要求。比如茶花、米蘭、龍吐珠這些典型的南方花卉，習(xí)慣了南方濕冷的季風(fēng)氣候，到北方時很難適應(yīng)嚴(yán)寒的冬季和干熱的夏日。仙人掌這種沙漠植物的種植講究低濕度，當(dāng)它處于雨水充沛的地區(qū)哪怕有大棚為它遮風(fēng)避雨，也無法完全排除土壤濕度對其生長的影響?？偠灾琴x予植物適合的成長環(huán)境，否則都不會達(dá)到理想的效果。大棚內(nèi)的溫度和土壤濕度的監(jiān)控，對植物的生長至關(guān)重要。要實現(xiàn)這點，普通的溫室大棚只有必須定期抽樣檢查，并不斷調(diào)節(jié)滿足這些植物生長的條件。這樣其工作就顯得量大繁瑣且不易準(zhǔn)確的控制。但是，如果采用了本控制系統(tǒng)，這些問題都將迎刃而解。另外，考慮到目前國家的耕地條件并不是非常完美，可能存在線路鋪設(shè)不方便，線路在農(nóng)作物生存環(huán)境下容易出現(xiàn)老化等難以解決的情況，本控制系統(tǒng)通過WIFI傳輸?shù)奶攸c正好可以發(fā)揮其功用。

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