基於無線感測器網路調光系統設計研究論文
基於無線感測器網路調光系統設計研究論文
1系統工作原理及結構設計
系統核心處理模組基於CC2530開發設計，選用星型拓撲結構組建無線感測器網路，具有容量大、低成本和低功耗等特點，且相鄰兩個節點傳輸距離可達10～150m，完全滿足溫室內無線調光系統設計需求。其中，主控節點實現網路構建、環境資訊採集、資料處理分析、人機互動及調光命令下發等功能;驅動節點主要實現控制命令接收、資料解析及調光資料輸出等功能;植物LED執行器實現LED燈組調控及亮度輸出。主控節點採用全功能裝置FFD(FullFunctionDe-vice)，具備網路協調功能，可聯結其他FFD或精簡功能裝置(RFD)，組建無線感測器網路，可雙向傳輸資訊，具有協調作用;同時，根據系統設計要求，主控節點具有控制功能。電路設計增加環境光照與溫度資訊採集模組、人機互動模組(即液晶顯示及按鍵)、工作指示燈、時鐘模組以及復位模組，分別完成資料採集、人機互動和復位等控制功能。驅動節點採用簡化功能裝置RFD(ReducedFunc-tionDevice)與主控節點進行資訊傳輸，同時完成控制命令輸出;植物LED執行器基於植物光合作用分析，選用中心波長為660nm、半波頻寬度為40nm的紅光LED，以及中心波長為450nm、半波頻寬度為40nm的藍光LED兩種特定波段LED作為光源，可根據驅動節點輸出不同的'調光命令，實現不同配光比的光環境調節。
2系統硬體設計
2．1主控節點結構及硬體設計
主控節點主要負責構建及啟動網路、網路引數選擇、當前環境資訊監測、控制方式選擇、計算調光值、調光命令下發、人機互動等功能，包括電源模組、核心處理模組、無線模組。
2．1．1核心處理模組
系統選用CC2530作為中央處理器，內含高效能低功耗8051微控制器，工作電壓3．3V，外設21個I/O口。其中，P1．0接入系統正常工作訊號LED指示燈;P0．1接入手動按鈕;人機互動模組電路為液晶分別與P0．0，P1．2，P1．5和P1．6連線，按鍵與P0．6和P2．0口連線;P0．2，P0．4，P0．5與時鐘晶片DS1302相連;P1．4口與溫度感測器連線，P1．1和P1．3口與光照感測器相連。具體電路根據CC2530晶片手冊設計開發，降低了開發難度。
2．1．2人機互動模組
系統選用DB12864－16C作為液晶顯示，採用普通復位按鍵作為裝置按鍵，在滿足系統工作要求的條件下，為節省I/O口使用，液晶與CC2530連線採用序列SPI方式進行通訊，按鍵電路利用SN74HC32或門和LM358運放共同實現。具體電路根據SPI方式及運放典型電路開發設計。
2．1．3其他模組
電源模組採用5V介面卡為主控節點供電。電源輸入後，經過降壓晶片ASM－1117典型電路為系統提供3．3V直流電壓。資料採集模組包括環境溫度採集和光照採集兩種。其中，溫度採集選用DS18B20作為溫度感測器和ISL29010作為光照感測器，透過在光照感測器上覆蓋紅藍光濾光片以及軟體修正，實現對光合作用有效波段監測。時鐘模組根據DS1302晶片手冊中典型電路設計，可實現系統時間設制以及定時控制功能。同時，為滿足系統後期擴充套件需求，將剩餘I/O口作為備用擴充套件口使用，以提高系統實際應用及二次開發能力。
2．2驅動節點及植物LED執行器設計
驅動節點屬於精簡功能裝置，只完成調光控制命令接收與訊號輸出功能，可減少外圍電路設計，降低了智慧調光系統的成本。驅動節點包括核心處理模組、無線接收模組、電源模組和繼電器模組。具體電路為:P1．0連線紅光LED驅動電路，P1．1連線藍光LED驅動電路，P1．5連線紅光訊號繼電器，P1．6連線藍光訊號繼電器。LED執行器包括驅動模組及紅藍光LED燈組，由24V電源供電。驅動模組選擇PT4115驅動晶片，是一款連續電感電流導通模式的降壓恆流源，可用於驅動一顆或多顆LED串聯。LED燈組根據植物生長所需光環境由若干紅藍光LED按比例組成。
3系統軟體設計
本系統以IAR為軟體開發平臺，可以直接對Zig-Bee2007協議棧進行開發移植，生成高效可靠的可執行程式碼，並對程式碼進行除錯。程式碼採用C語言開發，不僅有利於軟體程式碼的可讀性，而且能夠滿足對硬體功能的除錯和控制，大大縮短了系統開發週期。系統軟體主要包括節點間資料傳輸和節點功能軟體兩個部分。節點資料傳輸過程:首先，透過主控節點進行通道掃描，選擇合適的通道組建網路。在IEEEE802．15．4協議中，將2．4G頻段劃分16個通道，編號為11－26。本系統選擇預設值11通道。構建成功後，驅動節點以直接方式加入網路，即驅動節點作為主控節點的子節點，由主控節點向驅動節點發送，作為其子裝置命令。主控節點在網路中起協調器作用，負責網路構建。為確保系統安全可靠工作，系統採用分散式分配機制為每個節點分配自己的地址，主控節點在組網以後使用0x0000作為自己的短地址，在驅動執行節點加入系統網路後，由主控裝置隨機分配一個不重複的16位短地址作為自己唯一的地址來進行通訊。主控節點控制軟體包括兩類感測器解析函式、計算決策程式、引數設定程式、液晶顯示程式和時鐘程式等子程式;驅動節點作為終端節點，在完成調光控制命令接收後，將控制訊號輸出給繼電器和驅動電路;LED執行器根據調光控制命令實時調節紅藍光LED燈組狀態，實現溫室光環境的多種方式以及無線控制。
4執行結果
本裝置已透過實驗測試，並應用於西北農林科技大學某實驗基地。試驗證明，系統可根據使用者實際需要實現手動控制、定時控制、閾值控制以及定量控制等多種控制方式調光，且所有控制命令均可採用無線傳輸方式進行準確傳輸。其中，在閾值控制方式下，主控節點可完成溫室實時溫度、紅藍光光強等環境因子檢測，並基於光合作用機理精確決策溫室作物實際需光量;驅動節點可穩定接收實際調光資料，並準確輸出給驅動電路和繼電器，LED執行器可根據控制命令準確調節LED燈組輸出狀態。
5結論
（1）本文設計了一種基於無線感測器網路的設施農業調光系統，可透過使用者實際需求選擇多種控制方式對溫室作物光環境進行無線調控。其中，閾值控制方式綜合考慮作物光合作用影響因素，根據溫室溫度、紅藍光光強等環境因子精確計算作物實際需光量，實現了溫室光環境的實時按需調節。
（2）系統結合溫室實際生產條件，採用無線感測器網路技術傳輸調光命令，有效降低了系統部署難度與維護成本;採用新一代LED光源，減少了生產成本，節約了能源。
（3）經過實際部署和執行證明，系統具有穩定性好、準確性高、部署簡單和能耗少等優點。