王福艷李國(guó)昉馬淑英陳立東鄧春巖劉勝韜

1、唐山市工業(yè)自動(dòng)化研究所063000 2、河北科技師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院066600

引言

目前基于G P S、G I S、C D M A的遠(yuǎn)程無(wú)線信息傳輸技術(shù)已在農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用，但多數(shù)成果側(cè)重于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)的研究，而在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)仍采用有線的連接方式實(shí)現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊的通信，現(xiàn)場(chǎng)安裝與布線連接繁瑣、設(shè)備移動(dòng)性差、組網(wǎng)復(fù)雜、成本較高，甚至在有些場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)[1]。為此，本文設(shè)計(jì)了基于Z i g B e e技術(shù)的用于采集溫室環(huán)境信息的便攜式溫室大棚信息采集器。該溫室環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)技術(shù)將節(jié)點(diǎn)采集、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)顯示合為一體，既可解決數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)問(wèn)題，又避免安裝大量傳感器和終端設(shè)備的弊端，從而滿足溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)多測(cè)點(diǎn)、多要素、移動(dòng)性、便捷性等方面的要求。

1 系統(tǒng)組成及基本原理

便攜式溫室環(huán)境信息無(wú)線采集系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（采集節(jié)點(diǎn)）、遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)（路由節(jié)點(diǎn)）、數(shù)據(jù)接收與顯示系統(tǒng)（中心節(jié)點(diǎn)，即手持式顯示儀）組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為傳感器節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集溫度、土壤含水量、濕度等信息，并以無(wú)線方式將采集信息送入中心節(jié)點(diǎn)，對(duì)于超出有效距離的則通過(guò)路由實(shí)現(xiàn)多級(jí)跳轉(zhuǎn)傳輸，路由節(jié)點(diǎn)在投運(yùn)前也會(huì)搜索當(dāng)?shù)乜刂乒?jié)點(diǎn)或其它路由節(jié)點(diǎn)，可做其它路由節(jié)點(diǎn)或采集節(jié)點(diǎn)的中繼站使用[2]。系統(tǒng)采用以Z i g B e e為核心的C C2430芯片實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)基于C語(yǔ)言。中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)C C2430芯片集成的無(wú)線收發(fā)模塊，與路由節(jié)點(diǎn)及部分子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線收發(fā)通訊。系統(tǒng)將若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)分別放置在溫室中不同的位置，并對(duì)其編號(hào)。當(dāng)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)建立之后，中心節(jié)點(diǎn)由鍵盤(pán)控制，選擇相應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)號(hào)，向該子節(jié)點(diǎn)發(fā)出傳輸指令，該子節(jié)點(diǎn)通過(guò)各自的傳感器對(duì)溫度、濕度、土壤含水量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)送入Z i g B e e的核心芯片。采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)化，在其自身的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)由無(wú)線發(fā)射模塊把數(shù)據(jù)發(fā)射出去。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)自組網(wǎng)絡(luò)進(jìn)而傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)封裝在殼體內(nèi)，制做成掌上電腦形式，采集到的數(shù)據(jù)可在液晶屏上顯示，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 中心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

中心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含無(wú)線通訊模塊C C N15(集成)、處理器模塊 C C2430、鍵盤(pán)模塊 K F C-A03-09、存貯模塊A T24 C04、顯示模塊M z L02-12864和電源模塊A M S1117。中心節(jié)點(diǎn)相關(guān)模塊設(shè)計(jì)好后，對(duì)其進(jìn)行封裝，安裝殼體，殼體為150*85*20 m m，體積小，移動(dòng)方便，其上鍵盤(pán)可控制系統(tǒng)相應(yīng)功能。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 處理器模塊

處理器模塊是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通訊、控制的核心，與所有其它模塊連接，接受鍵盤(pán)模塊指令，控制無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)指令無(wú)線發(fā)送和數(shù)據(jù)的接受，從儲(chǔ)存模塊中調(diào)取采集數(shù)據(jù)并向上傳輸至液晶屏實(shí)時(shí)顯示，處理器模塊的核心板采用C C2430芯片。

2.3 鍵盤(pán)輸入模塊

采用A D C轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)一個(gè)I/O口上掛接多個(gè)按鍵，鍵盤(pán)采用K F C-A03-10貼片鍵盤(pán)，供電電壓為典型的3.3 V，其體積小，而且成本低，如圖3所示。

2.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

采用A T24 C04保存設(shè)置參數(shù)。存儲(chǔ)模塊在該系統(tǒng)中沒(méi)有運(yùn)用，留作以后功能擴(kuò)展，具體接線原理如圖4所示。

2.5 液晶顯示模塊

圖4 AT24C04

所選液晶顯示模塊型號(hào)為M z L02-12864，其尺寸70.1×64.0×10.6 m m，視屏尺寸65.8×38.2 m m，點(diǎn)大小0.45×0.49 m m，像素尺寸0.475×0.515，其顯示模塊如圖5所示。

圖5 液晶屏

2.6 電源模塊

為了增強(qiáng)工作穩(wěn)定性，減少電源電壓波動(dòng)對(duì)電路的影響，而又不增加太多的功耗，選擇5 V直流供電，再通過(guò)穩(wěn)壓，轉(zhuǎn)變成電源供電電壓3.3 V。

2.7 傳感器模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)包括溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊和土壤含水量模塊。溫度傳感器采用數(shù)字接口，為單總線工作方式，接在C C2430的P2.0上。P1.2為時(shí)鐘口，用于接溫濕度傳感器D H T11，土壤含水量傳感器是模擬接口，直接接在C C2430的14位A D轉(zhuǎn)換輸入引腳P0.0上。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中心節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)主要由主程序、中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、鍵盤(pán)掃描子程序及顯示子程序等組成。中心節(jié)點(diǎn)主程序是以主動(dòng)的方式按照固定順序周而復(fù)始地呼喚采集節(jié)點(diǎn)而取得數(shù)據(jù)，而采集節(jié)點(diǎn)以中斷的方式應(yīng)答中心節(jié)點(diǎn)從而分組（采集到的不同終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)）傳送指令，其控制流程圖如圖6所示。

圖6 中心節(jié)點(diǎn)流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

溫室環(huán)境信息的及時(shí)獲取是實(shí)現(xiàn)溫室現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理的重要基礎(chǔ)，要求溫室內(nèi)溫度、濕度、土壤含水量等信息能夠快速、精確、連續(xù)地測(cè)量。本文設(shè)計(jì)的基于Z i g B e e技術(shù)的便攜式溫室大棚環(huán)境信息無(wú)線采集器可以滿足其要求，其性能可靠，工作穩(wěn)定。

[1]耿萌，于宏毅，張效義.Zig B ee路由協(xié)議分析與性能評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43(26)：116-120.

[2]徐瑞娜，胡方明，仁愛(ài)鋒.Zig B ee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)[J].電子元器件的應(yīng)用，2010，7（7）：38-42.