荊黎明,孫德意,田思慶

(1.佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯154007; 2.光大環(huán)保(中國)有限公司工程管理部，廣東 深圳 518000)

0 引言

在現代農業(yè)中，智能設備越來越普及，而系統(tǒng)的操作難度也會越來越低，為了使無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)便于使用，增加系統(tǒng)的適用性，降低用戶操作的難度，本文設計了基于單片機控制的智能移動終端。該系統(tǒng)可以通過按鍵控制農田中的傳感器、調節(jié)閥、注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的啟動和關閉，LCD顯示屏可以實時顯示調節(jié)閥、注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的開關狀態(tài)以及傳感器的數據。

1 系統(tǒng)總體方案設計

智能移動終端是由單片機、ZigBee模塊、按鍵、LCD顯示屏等部分構成，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，ZigBee模塊采用CC2430進行與上位機傳輸數據，顯示屏采用LCD1602進行數據顯示，按鍵采用輕觸開關進行傳感器和調節(jié)閥的選擇并且進行注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的啟動和關閉，系統(tǒng)采用5V電源供電。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的工作過程是：主控制器采集由用戶操作的按鍵信號，然后通過ZigBee模塊與上位機通信并發(fā)送相應的數據信號，上位機接收到信號后，通過無線傳感器網絡將指令發(fā)送到相應的設備(傳感器、調節(jié)閥、注水泵以及混合比例注肥泵和混合比例注藥泵)上，該設備立即執(zhí)行移動終端的命令，上位機采集設備的狀態(tài)信息并發(fā)送回移動終端，可供用戶查看。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

2 硬件組成及工作原理

2.1 硬件選型

本系統(tǒng)采用的主控制器為STC公司生產的89C52RC型號單片機，它不僅支持兩線制的下載方式，下載程序方便快捷，而且支持6T模式，它內部集成了4KB容量的E2PROM，具有32個I/O口，程序存儲器具有超過10萬次的擦寫壽命。該芯片具有優(yōu)良的特性，能夠滿足本系統(tǒng)的需求，相比于其它51單片機，具有速度快、性能好、程序下載方便、功耗低等優(yōu)點，是本系統(tǒng)首選微控制器[1]。

本系統(tǒng)采用與無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)相同的ZigBee模塊(CC2430),該芯片符合2.4 GHz的IEEE 802.15.4標準。它內部集成了8位微處理器、VCO、LNA、PA和內部電源穩(wěn)壓器。為了組成完整的ZigBee模塊，外圍電路需要提供32 MHz晶體振蕩器XTAL1為其內部的微處理器提供時鐘源，射頻(RF)部分需要提供精準的電感、電容和PCB微波傳輸線，以匹配RF輸入和輸出的阻抗。CC2430的串行端口引腳連接到單片機的串行端口引腳P3.0和P3.1。

2.2 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)是系統(tǒng)正常運行的必要條件，其所需要的硬件有單片機、晶振、按鍵和電容等，具體包含的電路有復位電路和晶振電路。

為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，需要采用上電復位和按鍵復位兩種控制方式。

單片機復位的工作原理是使復位引腳(RST)上的電平為高電平并且持續(xù)2微秒即可。復位的作用是單片機正常運行受到環(huán)境干擾出現程序跑飛時，按下復位按鈕，單片機內部的程序自動從頭開始執(zhí)行。晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)原理圖

2.3 ZigBee模塊設計

ZigBee模塊是本系統(tǒng)通信的重要部件，它不僅可以為上位機通信，而且可以為單片機傳輸數據，所需硬件有CC2430、電阻、電容、電感以及天線和晶振。

為了使系統(tǒng)良好運行，電路中的非平衡變壓器要由電容C71(5.6pF)和電感L6(8.6nH)、L7(22nH)、L8(1.8nH)以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結構需滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。R15(56kΩ)和R16(43kΩ)為偏置電阻，電阻R15是為32MHz晶振(XTAL2)提供合適的工作電流。32MHz的晶振電路是由C61(22pF)和C62(22pF)電容組成，32.769 kHz的晶振電路是由C51(15pF)和C52(15pF)電容構成。整個系統(tǒng)由3.3V電壓供電，電路硬件原理圖如圖3所示。

圖3 CC2430硬件原理圖

在綜合考慮發(fā)射天線、開關、濾波器、低噪放、功放、收發(fā)開關、微波收發(fā)網絡、PCB布線等器件和電路產生的損耗，考慮實際影響傳輸距離的電路因素和傳輸路徑等因素后，使用IEEE802.15.4a模型，推測出在戶外的傳輸距離大約為2952.3m,該傳輸距離足以滿足系統(tǒng)的設計需求[2]。

2.4 按鍵模塊設計

綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)需使用矩陣按鍵，矩陣按鍵是由四個I/O線作為行線，四個I/O線作為列線，在行線和列線的交點上設置按鍵，這樣會產生16個交點(按鍵)，這種按鍵結構能夠有效提高I/O口的利用率[3]。

它的工作原理是無按鍵閉合時，P1.0～P1.3與P1.4～P1.7之間開路，有按鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，設置P0口的高四位為輸入狀態(tài)，從P0口的低四位輸出低電平(即P0=0XF0)，讀入高四位的數據，若某一位為低電平，則該行上有按鍵閉合;第二步，使P0口低四位輪流輸出低電平，從高四位讀入數據，若有某一行為低電平，則對應列線上有鍵按下。綜合一二兩步的結果可確定按鍵位置，矩陣按鍵的硬件原理圖如圖4所示。

圖4 矩陣按鍵硬件原理圖

2.5 顯示模塊設計

本模塊采用LCD1602顯示屏進行數據顯示，使用大寫字母“S”加傳感器的編號作為傳感器的顯示名稱，其后顯示傳感器實時的數據(如“S10 20℃”，表示10號傳感器所測量的土壤數據為20℃)，使用抽水泵、混合比例注肥泵、混合比例注藥泵的拼音名稱作為顯示名稱，其后使用大寫字母“K”和“G”，表示設備的開關狀態(tài)(如“ChouShuiBeng K”表示抽水泵的狀態(tài)為開)，使用大寫字母“D”加電磁閥門的編號作為電磁閥門的顯示名稱，其后使用大寫字母“K”和“G”，表示電磁閥門的開關狀態(tài)(如“D25 K”表示25號電磁閥門狀態(tài)為開)。其硬件原理圖如圖5所示。

圖5 顯示模塊硬件原理圖

2.6 供電系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)中單片機需要5V電壓進行供電， ZigBee模塊需要3.3V電壓進行供電，為給ZigBee模塊進行供電，這里采用AMS1117-3.3三端穩(wěn)壓電源模塊進行電壓分配，供電硬件原理圖如圖6示。

圖6 供電硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

單片機系統(tǒng)程序采用keil C語言編寫，主要實現基于ZigBee技術短距離無線收發(fā)功能，按鍵信號采集，數據顯示等功能。設備狀態(tài)可由按鍵自由切換，狀態(tài)數據自動在LCD1602上顯示，可供用戶查看和控制。系統(tǒng)通過ZigBee模塊可以遠距離訪問上位機并發(fā)送相應的控制指令，上位機進行應答并通過無線傳感器網絡控制相應的設備和收集相應設備的狀態(tài)數據，然后上位機通過ZigBee模塊發(fā)送給移動終端。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 結論

智能移動終端由單片機、CC2430、LCD1602和矩陣鍵盤構成，它可以搭配無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，共同為用戶提供良好的使用體驗，可以為用戶提供方便。該系統(tǒng)可以遠距離與上位機通信并獲取農田設備狀態(tài)信息，能夠幫助用戶在農田隨意啟用相應的設備，查看土壤數據信息，關閉危險的帶電設備，更改水流方向，能夠顯著降低用戶操作智能化設備的難度，增強了灌溉設備的適用性，提升了系統(tǒng)的自動化程度。