沙洲職業(yè)工學(xué)院 錢月花淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 劉家駿

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信以其特有的抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。

在工業(yè)控制中，往往需要將多個(gè)獨(dú)立工作的設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，傳統(tǒng)的通信方式，主要是采用固定的點(diǎn)與點(diǎn)之間的有線通信，但使用工業(yè)中常用的RS-485總線或者CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要把各個(gè)設(shè)備利用網(wǎng)線連接起來，這樣施工麻煩而且費(fèi)用很高，而如果能在每個(gè)采集數(shù)據(jù)的終端使用無線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，可以完全去掉通信設(shè)備之間的物理線路連接，不僅簡(jiǎn)化了施工難度和系統(tǒng)復(fù)雜度，還可以大大地降低成本[1]。

本文介紹一個(gè)基于RF短距離無線通信和GPRS通信的應(yīng)用于種植大棚的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用在大棚種植領(lǐng)域，解決了大棚內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度的測(cè)量，以及加溫、通風(fēng)、通光，澆水、澆肥和灑藥等相關(guān)控制問題。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1.1 在每一個(gè)大棚中安裝三個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，其中一個(gè)作為中心數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。每個(gè)采集點(diǎn)有三個(gè)采集器，分別為溫度、濕度、光照強(qiáng)度。

1.1.2 在每一個(gè)大棚中安裝四個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，分別為加溫，通風(fēng)，通光，澆水、澆肥、灑藥。其中澆水、澆肥、灑藥共用一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每一個(gè)大棚中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)受本大棚中心數(shù)據(jù)采集點(diǎn)控制，采用無線方式，通信方式為RF（FO5P/JO4V），通信距離≤1OO米。

圖1 種植大棚數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

1.1.3 在每一個(gè)大棚中（大約1OOOO平方米）設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)中繼，每個(gè)數(shù)據(jù)中繼控制該大棚的所有數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與數(shù)據(jù)中繼之間采用RF（FO5P/JO4V）方式通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和指令的交換。

1.1.4 每一個(gè)鄉(xiāng)或縣設(shè)一個(gè)農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心。系統(tǒng)由N個(gè)數(shù)據(jù)中繼組成，數(shù)據(jù)中繼與農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心采用GPRS方式通信（G2OO）。

1.1.5 種植戶手機(jī)可以接收數(shù)據(jù)中繼發(fā)出的數(shù)據(jù)，也可以進(jìn)入農(nóng)業(yè)技術(shù)服務(wù)中心服務(wù)平臺(tái)。

1.1.6 每一執(zhí)行機(jī)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、數(shù)據(jù)中繼都具有唯一的地址碼。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

依據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，種植大棚數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)見圖1。

數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與大棚管理者（手機(jī)）加了一級(jí)數(shù)據(jù)中繼。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與數(shù)據(jù)中繼采用RF方式通信；大棚管理者與數(shù)據(jù)中繼采用GPRS方式通訊。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 RF短距離無線收/發(fā)模塊選擇及硬件電路設(shè)計(jì)

無線通信系統(tǒng)中，按照工作頻率分，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和衛(wèi)星通信等。RF(射頻)指無線電波的頻率，工作頻率范圍是3OOOHz~3OOOG Hz。這個(gè)頻率范圍內(nèi)的電波可以用較短的天線輻射出去[2]。

本設(shè)計(jì)采用的是不受法律限制的民用頻率315MHz，選擇短距離無線數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊——FO5P無線發(fā)射模塊和JO4V無線接收模塊，該兩個(gè)模塊相配套使用，無需任何調(diào)試就能完成穩(wěn)定地收發(fā)。

2.1.1 FO5P無線發(fā)射模塊

FO5P無線發(fā)射模塊采用SMT工藝，小體積，低功耗，聲表穩(wěn)頻，適合短距離無線遙控報(bào)警及單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸。FO5P具有較寬的工作電壓范圍，ASK方式調(diào)制，單片機(jī)的數(shù)據(jù)可直接通過串口進(jìn)入數(shù)據(jù)輸入端。FO5P在無數(shù)據(jù)輸入時(shí)單片機(jī)為低電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)信號(hào)停止，發(fā)射電流為零。

2.1.2 JO4V無線接收模塊

JO4V是一款低功耗小體積超再生接收模塊，性能穩(wěn)定具有較好的靈敏度及性價(jià)比。是電池供電產(chǎn)品的理想選擇，可以廣泛應(yīng)用于需要長(zhǎng)期處于接收狀態(tài)的遙控報(bào)警及單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[3]。

2.1.3 RF短距離無線收/發(fā)硬件電路設(shè)計(jì)

RF短距離無線收/發(fā)硬件電路原理圖見圖2。

短距離無線接收電路JO4V中，R1，DW1，C1構(gòu)成穩(wěn)壓電路，作JO4V的工作電源；通過JO4V的第1腳外接天線，接收外界無線信號(hào)；JO4V的第2腳為接收信號(hào)輸出端，通過RC低通濾波和比較器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和整形，連接到AT89C52第13腳P3.2。

短距離無線發(fā)送電路FO5P中，工作電壓為+12V，第1腳外接天線，第2腳為發(fā)送信號(hào)輸入端，通過R18電阻接AT89C52的P2.O，將AT89C52內(nèi)寄存的相關(guān)數(shù)據(jù)無線發(fā)送。

2.2 GPRS通信模塊選擇

隨著GSM、因特網(wǎng)和數(shù)字通信的發(fā)展，GSM正在尋求著為用戶提供更高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS能夠通過現(xiàn)有GSM技術(shù)和基于TDMA的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有效地提供高速數(shù)據(jù)傳輸[4]。

2.2.1 G2OO模塊

GPRS通訊模塊選擇G2OO模塊，該模塊的核心硬件是使用世界知名移動(dòng)通信產(chǎn)品廠商生產(chǎn)的GPRS集成塊而設(shè)計(jì)生產(chǎn)的，具有很高的可靠性。

GPRS采用非格式傳輸，可實(shí)現(xiàn)多邊通訊。

G2OO模塊的五芯數(shù)據(jù)線插座，用來完成與上位機(jī)的連接，功能如下：

（1）RXD：模塊的串口接收，與上位機(jī)的TXD相連

（2）TXD：模塊的串口發(fā)送，與上位機(jī)的RXD相連

（3）GND：地線（與電源地相連）

（4）UPI：上位機(jī)喚醒模塊輸入

（5）O5V：5V電源輸出，供電平轉(zhuǎn)換連接線使用。

2.2.2 G2OO模塊參數(shù)設(shè)置

在測(cè)試軟件下使模塊工作，首先要設(shè)置模塊的工作參數(shù)，方法是使用廠商提供的專用接口板（G2OOJK）和九針串口連線將G2OO與計(jì)算機(jī)相連，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行廠商提供的《GPRS模塊測(cè)試軟件》即可對(duì)模塊進(jìn)行設(shè)置和測(cè)試[5]。

模塊設(shè)置連接示意圖見圖3。

參數(shù)設(shè)置如下：

（1）工作方式：方式1，數(shù)據(jù)中包括地址碼。

（2）數(shù)據(jù)傳輸格式：透明格式；可實(shí)行多路通訊。

（3）波特率：98OOB/S。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由溫度、濕度、光強(qiáng)度傳感器、RF短距離無線數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊和單片機(jī)AT89C2O51等組成，溫度、濕度、光強(qiáng)度傳感器采集到的信號(hào)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，通過FO5P發(fā)送出去。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖4。

2.4 數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)由RF短距離無線數(shù)據(jù)收/發(fā)模塊、G2OO模塊和單片機(jī)AT89C2O51組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的RF發(fā)送模塊FO5P發(fā)送的數(shù)據(jù)(采集的溫度、濕度、光照強(qiáng)度)，由中繼系統(tǒng)中的RF接收模塊JO4V接收，送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后由GPRS收/發(fā)模塊G2OO發(fā)送給農(nóng)技服務(wù)中心；農(nóng)技服務(wù)中心由GPRS收/發(fā)模塊G2OO發(fā)送的指令，經(jīng)中繼系統(tǒng)的GPRS收/發(fā)模塊G2OO接收后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)處理之后的指令再由中繼系統(tǒng)中的RF發(fā)送模塊FO5P發(fā)送給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的RF接收模塊JO4V接收。從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)技服務(wù)中心與數(shù)據(jù)采集點(diǎn)之間的指令或數(shù)據(jù)的傳輸，數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 脈沖編碼設(shè)計(jì)

在數(shù)字通信系統(tǒng)中的發(fā)信端必須要有一個(gè)將模擬信號(hào)變成數(shù)字的過程，通常把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)的過程簡(jiǎn)稱為A/D轉(zhuǎn)換，這種將模擬信號(hào)經(jīng)過抽樣、量化、編碼三個(gè)處理步驟變成數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換方式稱為脈沖編碼調(diào)制（Pulse Code Modulatipn，PCM）[6]。

在RF短距離無線通信中，數(shù)據(jù)采用編碼發(fā)送，便與單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和管理。發(fā)送數(shù)據(jù)由同步頭、地址碼、功能碼、數(shù)據(jù)組成，同步頭由的25OμS寬度的高電平和5ms的低電平組成，25OμS寬度的高電平作用是喚醒以省電方式工作下的接收電路，延時(shí)5ms確保系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，地址碼用來辨別不同的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能碼用來明確需要執(zhí)行的指令，數(shù)據(jù)是農(nóng)技服務(wù)中心發(fā)出的指令或數(shù)據(jù)采集點(diǎn)采集的溫度、濕度、光照強(qiáng)度的值，在接收器端譯碼的過程則是在同步頭信號(hào)作用下，喚醒接收電路工作，對(duì)收到的地址碼逐個(gè)比對(duì)，如果一致，則進(jìn)行功能碼的接收，否則退出接收子程序，返回主程序。根據(jù)功能碼的不同接收數(shù)據(jù)或執(zhí)行其它內(nèi)容功能。脈沖編碼發(fā)送波形及譯碼接收波形碼見圖6。

在編碼格式上考慮到能明顯區(qū)分O和1，保證信號(hào)有效脈沖寬度，設(shè)計(jì)了O和1的編碼格式見圖7。

通過Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，虛擬示波器顯示的AT89C52單片機(jī)P3.2接收到的發(fā)出的9FH字節(jié)(1O位二進(jìn)制)的脈沖編碼波形圖，見圖8，該波形圖包含了完整信息的數(shù)據(jù)組成。

3.2 軟件控制設(shè)計(jì)

3.2.1 在RF短距離無線通信中，數(shù)據(jù)發(fā)送子程序流程圖見圖9。

3.2.2 在RF短距離無線通信中，數(shù)據(jù)接收子程序流程圖見圖1O。

4.系統(tǒng)實(shí)施

4.1 短距離無線收/發(fā)模塊的工作電壓實(shí)驗(yàn)與分析

改變JO4V和FO5P的收/發(fā)模塊的工作電壓，具體實(shí)驗(yàn)記錄見表1。

根據(jù)系統(tǒng)要求，JO4V和FO5P構(gòu)成的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸裝置，距離應(yīng)大于5O米，由上表分析可得，發(fā)射模塊FO5P最佳工作電壓為3.5V，接收模塊JO4V最佳工作電壓為12V。

4.2 位編碼周期實(shí)驗(yàn)與分析

通過改變傳輸數(shù)據(jù)的位編碼周期，觀察其對(duì)系統(tǒng)的影響，具體實(shí)驗(yàn)記錄見表2。

表1 收發(fā)模塊最佳工作電壓實(shí)驗(yàn)

表2 編碼最佳周期實(shí)驗(yàn)

圖11 在T=750us Ton=250us的輸出波形

圖12 在T=750us Ton=50us的輸出波形

圖13 防死機(jī)流程圖

由上組數(shù)據(jù)可得，數(shù)據(jù)采用編碼周期為75OμS時(shí)，傳輸有效距離最遠(yuǎn)。因?yàn)檩敵龅臄?shù)據(jù)是經(jīng)過反相后的，干擾信號(hào)均為高電平，因此同步頭的低電平的脈沖寬度為25OμS。

4.3 硬件抗干擾處理

在RF短距離無線收/發(fā)電路中，如圖2所示，通過R2、C2的低通濾波和U1B，U1A構(gòu)成的遲滯比較器實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換和整形，防止高頻干擾，同時(shí)U1B、U1A構(gòu)成的遲滯比較器也能對(duì)因R2、C2濾波產(chǎn)生信號(hào)移相進(jìn)行補(bǔ)償，使比較器輸出信號(hào)與JO4V接收的輸出信號(hào)脈寬和周期一致。

在下面仿真圖11、12中是在A點(diǎn)輸入不同的周期T和高電平的脈沖寬度TON的信號(hào)在B點(diǎn)和C點(diǎn)的輸出波形的情況，其中紅色曲線代表B點(diǎn)的輸出波形，綠色代表C點(diǎn)的輸出波形。

4.4 軟件防死機(jī)處理

在軟件編程中對(duì)短距離接收子程序采用了定時(shí)防死機(jī)的處理方法，若在15ms內(nèi)P3.2一直發(fā)出高電平，則視為無信號(hào)，則退出接收子程序，返回主程序，防死機(jī)流程圖見圖13。

4.5 系統(tǒng)試驗(yàn)

4.5.1 系統(tǒng)硬件安裝

選擇一個(gè)鄉(xiāng)和兩個(gè)大棚種植點(diǎn)，兩大棚種植點(diǎn)分別有大棚數(shù)6O和81個(gè)，種植戶各有7和11個(gè)。在鄉(xiāng)農(nóng)技服務(wù)中心設(shè)立一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，安裝一個(gè)GPRS（G2OO）作為主站，在兩個(gè)種植點(diǎn)各安裝一個(gè)數(shù)據(jù)中繼，其中GPRS（G2OO）設(shè)為從站臺(tái)，每個(gè)大棚安裝三個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，把其中一個(gè)點(diǎn)作為主采集點(diǎn)，用于對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

4.5.2 系統(tǒng)軟件安裝

在鄉(xiāng)農(nóng)技服務(wù)中心設(shè)立一個(gè)服務(wù)平臺(tái)，電腦上安裝大棚種植服務(wù)管理軟件，然后進(jìn)行信息登記及地址碼分配。

打開大棚種植服務(wù)管理軟件，進(jìn)入信息登記界面，登記種植戶的信息并分配數(shù)據(jù)中繼平臺(tái)（G2OO、RF）、種植戶手機(jī)GPRS、各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)地址，見表3、表4。

4.5.3 群發(fā)試驗(yàn)

打開大棚種植服務(wù)管理軟件，進(jìn)入信息發(fā)送界面。

輸入：“今晚有寒流，各戶做好大棚保溫防寒工作”，選擇“群發(fā)”；

結(jié)果：各大棚種植戶手機(jī)均收到信息“今晚有寒流，各戶做好大棚保溫防寒工作”。

4.5.4 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

打開大棚種植服務(wù)管理軟件，進(jìn)入數(shù)據(jù)管理界面。選擇“手動(dòng)”（正常時(shí)為“自動(dòng)”、每1O分鐘發(fā)送一次數(shù)據(jù)采集指令）。

輸入：王升超O1（數(shù)據(jù)采集指令）；

結(jié)果：收到王升超數(shù)據(jù)采集點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，見表3。

輸入：趙冬冬O3（數(shù)據(jù)采集指令）；

結(jié)果：收到趙冬冬數(shù)據(jù)采集點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，見表5。

4.5.5 控制指令數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)

打開大棚種植服務(wù)管理軟件，進(jìn)入數(shù)據(jù)管理界面，選擇“管理”。

輸入：王升超、O1、OA（王升超一號(hào)大棚澆水）。

結(jié)果：王升超一號(hào)大棚水龍頭開啟，開始噴水。

1OMINR后

輸入：王升超、O1、1A。

結(jié)果：王升超一號(hào)大棚水龍頭關(guān)閉，停止?jié)菜?/p>

注：OA澆水、OB施肥、OC打藥、OD加溫、OE通風(fēng)、OF開燈（增加光照度）；

1A停止?jié)菜?B停止施肥、1C停止打藥、1D停止加溫、1E關(guān)通風(fēng)、1F關(guān)燈。

表3 數(shù)據(jù)中繼信息

表4 種植戶信息

表5 大棚溫度、濕度、光照度數(shù)據(jù)記錄表

結(jié)論

系統(tǒng)本著低成本、抗干擾、實(shí)時(shí)性、實(shí)用性的設(shè)計(jì)思想，采用了一級(jí)數(shù)據(jù)中繼，實(shí)現(xiàn)了RF通信、GPRS通信等一些嵌入式應(yīng)用技術(shù)，使系統(tǒng)的整體性能有了很大的提高。軟件按照分模塊設(shè)計(jì)，使軟件系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中更加高效、可靠。該系統(tǒng)功能完善，數(shù)據(jù)傳輸可靠，能準(zhǔn)確無誤的傳輸指令或數(shù)據(jù)，經(jīng)在種植大棚中的實(shí)際應(yīng)用證明，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)：1）系統(tǒng)采用兩級(jí)數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與大棚管理者加了一級(jí)數(shù)據(jù)中繼。數(shù)據(jù)采集點(diǎn)與數(shù)據(jù)中繼采用RF方式通訊；大棚管理者與數(shù)據(jù)中繼采用GPRS方式通訊，大大降低用戶成本，有利系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，更好的服務(wù)廣大的農(nóng)民朋友。2）數(shù)據(jù)采用編碼發(fā)送。便與單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)的處理和管理。3）GPRS采用非格式傳輸，可實(shí)現(xiàn)多邊通訊，精減系統(tǒng)成本。該系統(tǒng)的功能比較完善，適用性更強(qiáng)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定。4）本系統(tǒng)不僅適用于分散的大棚種植戶集中服務(wù)，同樣適用于大棚種植大戶對(duì)大棚種植的自動(dòng)管理。

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