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        基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2014-06-20 13:16:15秦芹
        無線互聯(lián)科技 2014年3期
        關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗

        秦芹

        摘 要:本文設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ARM7微控制器芯片的溫室大棚環(huán)境參數(shù)的信息采集系統(tǒng)。通過在大棚內(nèi)布置各種傳感器節(jié)點(diǎn),并通過NRF905無線收發(fā)芯片,將采集到的信息傳至控制中心,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。本系統(tǒng)具有功耗低、精度高、使用簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

        關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);ARM7微控制器;低功耗;溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)

        溫室大棚里的環(huán)境參數(shù)的控制,是農(nóng)作物正常生長的關(guān)鍵因素,直接影響最終的產(chǎn)量高低。傳統(tǒng)的測量溫度、濕度、光照等參數(shù)的方法,經(jīng)過長期使用,暴露出很多缺點(diǎn)。如溫室內(nèi)的復(fù)雜布線及控制設(shè)備為農(nóng)作物的播種、施肥等活動(dòng)帶來極大不便。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù),尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的溫室大棚中,彌補(bǔ)的傳統(tǒng)測量方法的不足,提高了工作效率,同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

        本課題,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測中,從軟硬件方面都做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并通過proteus仿真軟件驗(yàn)證了改系統(tǒng)的可行性。圖1是本系統(tǒng)的總體框圖。

        主要包含四部分,遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集與處理模塊、數(shù)據(jù)接收/發(fā)送模塊和上位機(jī)控制中心。測量節(jié)點(diǎn)由各種傳感器組成,包括溫度、濕度、光照傳感器,用來測量溫室中的各種環(huán)境參數(shù);數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)是由微控制器控制信息數(shù)據(jù)的接收與傳送,一個(gè)微控制器能夠控制傳感器的數(shù)量有限,所以數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)也需要根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置多個(gè);數(shù)據(jù)接收模塊通過射頻收發(fā)器控制數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送;上位機(jī)控制中心,主要負(fù)責(zé)信息數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送控制信息;通過遠(yuǎn)程控制中心,可是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

        2 硬件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)的幾大模塊包括:傳感器的布線、傳感器與微控制器的硬件連接、微控制器與無線通信模塊的硬件連接。

        2.1 傳感器與微控制器的硬件連接

        本系統(tǒng)中,溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器芯片,濕度傳感器采用SHT75數(shù)字濕度傳感器,光照傳感器選用BH1750芯片,微控制器選用ARM7系列的LPC2124芯片。

        2.1.1 DS18B20與微控制器的硬件連接

        DS18B20是由美國DALLAS公司生產(chǎn),具有體積小、耐磨耐碰、接口電路簡單、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器的供電方式有兩種:一種是寄生電源供電,DS18B20通過與微控制器連接的信號(hào)線汲取能量,滿足自身需求,不需外接電源,電路簡單;一種是外部電源供電,即通過外加電源的方法為DS18B20提供正常工作所需的能量,這種電路存在電源及時(shí)更換問題和電源壽命問題。本系統(tǒng)采用寄生電源供電,如圖2。與溫度控制器的連接電路如圖3所示。

        2.1.2 濕度傳感器SHT75與微控制器的硬件連接電路設(shè)計(jì)

        SHT75數(shù)字濕度傳感器是瑞士Secnsirion公司生產(chǎn),采用了CMOS技術(shù)測量精度高、體積小、功耗低等特點(diǎn)。外部引腳非常簡單,分別為GND、VCC、DATA和SCK引腳。與微控制器的連接電路如圖4所示

        2.1.3 光照傳感器BH1750與微控制器的硬件連接電路設(shè)計(jì)

        BH1750是一款I(lǐng)2C接口的數(shù)字式光照測量傳感器。與微控制器的連接電路如圖5所示。

        2.2 微控制器LPC2124與無線收發(fā)芯片NFR905的硬件電路設(shè)計(jì)

        NFR905由Nordic公司生產(chǎn),可工作于433/868/915MHZ3個(gè)ISM免費(fèi)頻段。通過SPI接口與微控制器通信。具有功耗低、傳輸速度快、使用簡單等特點(diǎn)。與微控制器連接的硬件電路如圖6所示。

        3 軟件設(shè)計(jì)

        本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括:遠(yuǎn)程傳輸模塊;無線接收、發(fā)送模塊;上位機(jī)程序設(shè)計(jì)模塊。整體框圖如圖6所示。

        3.1 測量節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

        3.1.1 讀取溫度信息

        微控制器讀取DS18B20測量的溫度信息需要執(zhí)行兩個(gè)工作周期,第一個(gè)工作周期內(nèi),微控制器向DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令,DS18B20正常工作情況下進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換操作;第二個(gè)工作周期進(jìn)行溫度讀取操作。需要注意的是,每個(gè)工作周期執(zhí)行之前,微控制器都要先向DS18B20發(fā)送低電平信號(hào),使DS18B20復(fù)位,再發(fā)送其他指令。由于微控制器的一天I/O線上連有多個(gè)DS18B20,因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)還要有判斷是讀一個(gè)溫度傳感器信息,還是去單條線路上所有溫度傳感器信息。程序流程圖如圖7所示。

        3.1.2 讀取濕度信息

        微控制器與濕度傳感器SHT75只有兩個(gè)引腳相連,因此控制程序也相對(duì)簡單。在讀取溫度之前要確保SHT75處于連接狀態(tài),否在先觸發(fā)SCK時(shí)鐘信號(hào)一次,使串口復(fù)位。發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令之后,為控制器要反復(fù)查詢DATA引腳,直到DATA引腳為低,說明數(shù)據(jù)傳送完畢,同時(shí)讀取兩字節(jié)數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖8所示

        4 結(jié)論

        文本針對(duì)目前溫室大棚環(huán)境控制非自動(dòng)化,多數(shù)還處于人工操作階段等問題,提出并設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),有效解決了環(huán)境數(shù)據(jù)不能及時(shí)獲取、監(jiān)測系統(tǒng)功耗大、不能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、系統(tǒng)成本高體積大、妨礙農(nóng)作物生長等問題。但還是存在一些問題,如傳感器節(jié)點(diǎn)能量供給問題,傳輸距離短等問題,需要在今后的工作中繼續(xù)研究。

        [參考文獻(xiàn)]

        [1]楊明慧,楊鵬,史旺旺.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)大棚監(jiān)測中濕度節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,106-108.

        [2]郝毫毫.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)[J].電子設(shè)計(jì)工程,第1期70-73.

        [3]高之圣,王海燕.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微處理器與可編程控制器,73-75.

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