基于無線傳感器網(wǎng)絡調(diào)光系統(tǒng)設計研究

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1系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)核心處理模塊基于CC2530開發(fā)設計，選用星型拓撲結(jié)構(gòu)組建無線傳感器網(wǎng)絡，具有容量大、低成本和低功耗等特點，且相鄰兩個節(jié)點傳輸距離可達10～150m，完全滿足溫室內(nèi)無線調(diào)光系統(tǒng)設計需求。其中，主控節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)絡構(gòu)建、環(huán)境信息采集、數(shù)據(jù)處理分析、人機交互及調(diào)光命令下發(fā)等功能;驅(qū)動節(jié)點主要實現(xiàn)控制命令接收、數(shù)據(jù)解析及調(diào)光數(shù)據(jù)輸出等功能;植物LED執(zhí)行器實現(xiàn)LED燈組調(diào)控及亮度輸出。主控節(jié)點采用全功能設備FFD(FullFunctionDe-vice)，具備網(wǎng)絡協(xié)調(diào)功能，可聯(lián)結(jié)其他FFD或精簡功能設備(RFD)，組建無線傳感器網(wǎng)絡，可雙向傳輸信息，具有協(xié)調(diào)作用;同時，根據(jù)系統(tǒng)設計要求，主控節(jié)點具有控制功能。電路設計增加環(huán)境光照與溫度信息采集模塊、人機交互模塊(即液晶顯示及按鍵)、工作指示燈、時鐘模塊以及復位模塊，分別完成數(shù)據(jù)采集、人機交互和復位等控制功能。驅(qū)動節(jié)點采用簡化功能設備RFD(ReducedFunc-tionDevice)與主控節(jié)點進行信息傳輸，同時完成控制命令輸出;植物LED執(zhí)行器基于植物光合作用分析，選用中心波長為660nm、半波帶寬度為40nm的紅光LED，以及中心波長為450nm、半波帶寬度為40nm的藍光LED兩種特定波段LED作為光源，可根據(jù)驅(qū)動節(jié)點輸出不同的調(diào)光命令，實現(xiàn)不同配光比的光環(huán)境調(diào)節(jié)。

2系統(tǒng)硬件設計

2．1主控節(jié)點結(jié)構(gòu)及硬件設計

主控節(jié)點主要負責構(gòu)建及啟動網(wǎng)絡、網(wǎng)絡參數(shù)選擇、當前環(huán)境信息監(jiān)測、控制方式選擇、計算調(diào)光值、調(diào)光命令下發(fā)、人機交互等功能，包括電源模塊、核心處理模塊、無線模塊。

2．1．1核心處理模塊

系統(tǒng)選用CC2530作為中央處理器，內(nèi)含高性能低功耗8051微控制器，工作電壓3．3V，外設21個I/O口。其中，P1．0接入系統(tǒng)正常工作信號LED指示燈;P0．1接入手動按鈕;人機交互模塊電路為液晶分別與P0．0，P1．2，P1．5和P1．6連接，按鍵與P0．6和P2．0口連接;P0．2，P0．4，P0．5與時鐘芯片DS1302相連;P1．4口與溫度傳感器連接，P1．1和P1．3口與光照傳感器相連。具體電路根據(jù)CC2530芯片手冊設計開發(fā)，降低了開發(fā)難度。

2．1．2人機交互模塊

系統(tǒng)選用DB12864－16C作為液晶顯示，采用普通復位按鍵作為設備按鍵，在滿足系統(tǒng)工作要求的條件下，為節(jié)省I/O口使用，液晶與CC2530連接采用串行SPI方式進行通信，按鍵電路利用SN74HC32或門和LM358運放共同實現(xiàn)。具體電路根據(jù)SPI方式及運放典型電路開發(fā)設計。

2．1．3其他模塊

電源模塊采用5V適配器為主控節(jié)點供電。電源輸入后，經(jīng)過降壓芯片ASM－1117典型電路為系統(tǒng)提供3．3V直流電壓。數(shù)據(jù)采集模塊包括環(huán)境溫度采集和光照采集兩種。其中，溫度采集選用DS18B20作為溫度傳感器和ISL29010作為光照傳感器，通過在光照傳感器上覆蓋紅藍光濾光片以及軟件修正，實現(xiàn)對光合作用有效波段監(jiān)測。時鐘模塊根據(jù)DS1302芯片手冊中典型電路設計，可實現(xiàn)系統(tǒng)時間設制以及定時控制功能。同時，為滿足系統(tǒng)后期擴展需求，將剩余I/O口作為備用擴展口使用，以提高系統(tǒng)實際應用及二次開發(fā)能力。

2．2驅(qū)動節(jié)點及植物LED執(zhí)行器設計

驅(qū)動節(jié)點屬于精簡功能設備，只完成調(diào)光控制命令接收與信號輸出功能，可減少外圍電路設計，降低了智能調(diào)光系統(tǒng)的成本。驅(qū)動節(jié)點包括核心處理模塊、無線接收模塊、電源模塊和繼電器模塊。具體電路為:P1．0連接紅光LED驅(qū)動電路，P1．1連接藍光LED驅(qū)動電路，P1．5連接紅光信號繼電器，P1．6連接藍光信號繼電器。LED執(zhí)行器包括驅(qū)動模塊及紅藍光LED燈組，由24V電源供電。驅(qū)動模塊選擇PT4115驅(qū)動芯片，是一款連續(xù)電感電流導通模式的降壓恒流源，可用于驅(qū)動一顆或多顆LED串聯(lián)。LED燈組根據(jù)植物生長所需光環(huán)境由若干紅藍光LED按比例組成。

3系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以IAR為軟件開發(fā)平臺，可以直接對Zig-Bee2007協(xié)議棧進行開發(fā)移植，生成高效可靠的可執(zhí)行代碼，并對代碼進行調(diào)試。代碼采用C語言開發(fā)，不僅有利于軟件代碼的可讀性，而且能夠滿足對硬件功能的調(diào)試和控制，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。系統(tǒng)軟件主要包括節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點功能軟件兩個部分。節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸過程:首先，通過主控節(jié)點進行信道掃描，選擇合適的信道組建網(wǎng)絡。在IEEEE802．15．4協(xié)議中，將2．4G頻段劃分16個信道，編號為11－26。本系統(tǒng)選擇默認值11信道。構(gòu)建成功后，驅(qū)動節(jié)點以直接方式加入網(wǎng)絡，即驅(qū)動節(jié)點作為主控節(jié)點的子節(jié)點，由主控節(jié)點向驅(qū)動節(jié)點發(fā)送，作為其子設備命令。主控節(jié)點在網(wǎng)絡中起協(xié)調(diào)器作用，負責網(wǎng)絡構(gòu)建。為確保系統(tǒng)安全可靠工作，系統(tǒng)采用分布式分配機制為每個節(jié)點分配自己的地址，主控節(jié)點在組網(wǎng)以后使用0x0000作為自己的短地址，在驅(qū)動執(zhí)行節(jié)點加入系統(tǒng)網(wǎng)絡后，由主控設備隨機分配一個不重復的16位短地址作為自己唯一的地址來進行通訊。主控節(jié)點控制軟件包括兩類傳感器解析函數(shù)、計算決策程序、參數(shù)設定程序、液晶顯示程序和時鐘程序等子程序;驅(qū)動節(jié)點作為終端節(jié)點，在完成調(diào)光控制命令接收后，將控制信號輸出給繼電器和驅(qū)動電路;LED執(zhí)行器根據(jù)調(diào)光控制命令實時調(diào)節(jié)紅藍光LED燈組狀態(tài)，實現(xiàn)溫室光環(huán)境的多種方式以及無線控制。

4運行結(jié)果

本設備已通過實驗測試，并應用于西北農(nóng)林科技大學某實驗基地。試驗證明，系統(tǒng)可根據(jù)用戶實際需要實現(xiàn)手動控制、定時控制、閾值控制以及定量控制等多種控制方式調(diào)光，且所有控制命令均可采用無線傳輸方式進行準確傳輸。其中，在閾值控制方式下，主控節(jié)點可完成溫室實時溫度、紅藍光光強等環(huán)境因子檢測，并基于光合作用機理精確決策溫室作物實際需光量;驅(qū)動節(jié)點可穩(wěn)定接收實際調(diào)光數(shù)據(jù)，并準確輸出給驅(qū)動電路和繼電器，LED執(zhí)行器可根據(jù)控制命令準確調(diào)節(jié)LED燈組輸出狀態(tài)。

5結(jié)論

（1）本文設計了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，可通過用戶實際需求選擇多種控制方式對溫室作物光環(huán)境進行無線調(diào)控。其中，閾值控制方式綜合考慮作物光合作用影響因素，根據(jù)溫室溫度、紅藍光光強等環(huán)境因子精確計算作物實際需光量，實現(xiàn)了溫室光環(huán)境的實時按需調(diào)節(jié)。

（2）系統(tǒng)結(jié)合溫室實際生產(chǎn)條件，采用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)傳輸調(diào)光命令，有效降低了系統(tǒng)部署難度與維護成本;采用新一代LED光源，減少了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源。

（3）經(jīng)過實際部署和運行證明，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、準確性高、部署簡單和能耗少等優(yōu)點。

作者：樊宏攀 李建良 劉正道 單位：西北農(nóng)林科技大學