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基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )調光系統設計研究論文
1系統工作原理及結構設計
系統核心處理模塊基于CC2530開(kāi)發(fā)設計，選用星型拓撲結構組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，具有容量大、低成本和低功耗等特點(diǎn)，且相鄰兩個(gè)節點(diǎn)傳輸距離可達10～150m，完全滿(mǎn)足溫室內無(wú)線(xiàn)調光系統設計需求。其中，主控節點(diǎn)實(shí)現網(wǎng)絡(luò )構建、環(huán)境信息采集、數據處理分析、人機交互及調光命令下發(fā)等功能;驅動(dòng)節點(diǎn)主要實(shí)現控制命令接收、數據解析及調光數據輸出等功能;植物L(fēng)ED執行器實(shí)現LED燈組調控及亮度輸出。主控節點(diǎn)采用全功能設備FFD(FullFunctionDe-vice)，具備網(wǎng)絡(luò )協(xié)調功能，可聯(lián)結其他FFD或精簡(jiǎn)功能設備(RFD)，組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，可雙向傳輸信息，具有協(xié)調作用;同時(shí)，根據系統設計要求，主控節點(diǎn)具有控制功能。電路設計增加環(huán)境光照與溫度信息采集模塊、人機交互模塊(即液晶顯示及按鍵)、工作指示燈、時(shí)鐘模塊以及復位模塊，分別完成數據采集、人機交互和復位等控制功能。驅動(dòng)節點(diǎn)采用簡(jiǎn)化功能設備RFD(ReducedFunc-tionDevice)與主控節點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，同時(shí)完成控制命令輸出;植物L(fēng)ED執行器基于植物光合作用分析，選用中心波長(cháng)為660nm、半波帶寬度為40nm的紅光LED，以及中心波長(cháng)為450nm、半波帶寬度為40nm的藍光LED兩種特定波段LED作為光源，可根據驅動(dòng)節點(diǎn)輸出不同的調光命令，實(shí)現不同配光比的光環(huán)境調節。
2系統硬件設計
2．1主控節點(diǎn)結構及硬件設計
主控節點(diǎn)主要負責構建及啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)絡(luò )參數選擇、當前環(huán)境信息監測、控制方式選擇、計算調光值、調光命令下發(fā)、人機交互等功能，包括電源模塊、核心處理模塊、無(wú)線(xiàn)模塊。
2．1．1核心處理模塊
系統選用CC2530作為中央處理器，內含高性能低功耗8051微控制器，工作電壓3．3V，外設21個(gè)I/O口。其中，P1．0接入系統正常工作信號LED指示燈;P0．1接入手動(dòng)按鈕;人機交互模塊電路為液晶分別與P0．0，P1．2，P1．5和P1．6連接，按鍵與P0．6和P2．0口連接;P0．2，P0．4，P0．5與時(shí)鐘芯片DS1302相連;P1．4口與溫度傳感器連接，P1．1和P1．3口與光照傳感器相連。具體電路根據CC2530芯片手冊設計開(kāi)發(fā)，降低了開(kāi)發(fā)難度。
2．1．2人機交互模塊
系統選用DB12864－16C作為液晶顯示，采用普通復位按鍵作為設備按鍵，在滿(mǎn)足系統工作要求的條件下，為節省I/O口使用，液晶與CC2530連接采用串行SPI方式進(jìn)行通信，按鍵電路利用SN74HC32或門(mén)和LM358運放共同實(shí)現。具體電路根據SPI方式及運放典型電路開(kāi)發(fā)設計。
2．1．3其他模塊
電源模塊采用5V適配器為主控節點(diǎn)供電。電源輸入后，經(jīng)過(guò)降壓芯片ASM－1117典型電路為系統提供3．3V直流電壓。數據采集模塊包括環(huán)境溫度采集和光照采集兩種。其中，溫度采集選用DS18B20作為溫度傳感器和ISL29010作為光照傳感器，通過(guò)在光照傳感器上覆蓋紅藍光濾光片以及軟件修正，實(shí)現對光合作用有效波段監測。時(shí)鐘模塊根據DS1302芯片手冊中典型電路設計，可實(shí)現系統時(shí)間設制以及定時(shí)控制功能。同時(shí)，為滿(mǎn)足系統后期擴展需求，將剩余I/O口作為備用擴展口使用，以提高系統實(shí)際應用及二次開(kāi)發(fā)能力。
2．2驅動(dòng)節點(diǎn)及植物L(fēng)ED執行器設計
驅動(dòng)節點(diǎn)屬于精簡(jiǎn)功能設備，只完成調光控制命令接收與信號輸出功能，可減少外圍電路設計，降低了智能調光系統的成本。驅動(dòng)節點(diǎn)包括核心處理模塊、無(wú)線(xiàn)接收模塊、電源模塊和繼電器模塊。具體電路為:P1．0連接紅光LED驅動(dòng)電路，P1．1連接藍光LED驅動(dòng)電路，P1．5連接紅光信號繼電器，P1．6連接藍光信號繼電器。LED執行器包括驅動(dòng)模塊及紅藍光LED燈組，由24V電源供電。驅動(dòng)模塊選擇PT4115驅動(dòng)芯片，是一款連續電感電流導通模式的降壓恒流源，可用于驅動(dòng)一顆或多顆LED串聯(lián)。LED燈組根據植物生長(cháng)所需光環(huán)境由若干紅藍光LED按比例組成。
3系統軟件設計
本系統以IAR為軟件開(kāi)發(fā)平臺，可以直接對Zig-Bee2007協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)移植，生成高效可靠的可執行代碼，并對代碼進(jìn)行調試。代碼采用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，不僅有利于軟件代碼的可讀性，而且能夠滿(mǎn)足對硬件功能的調試和控制，大大縮短了系統開(kāi)發(fā)周期。系統軟件主要包括節點(diǎn)間數據傳輸和節點(diǎn)功能軟件兩個(gè)部分。節點(diǎn)數據傳輸過(guò)程:首先，通過(guò)主控節點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，選擇合適的信道組建網(wǎng)絡(luò )。在IEEEE802．15．4協(xié)議中，將2．4G頻段劃分16個(gè)信道，編號為11－26。本系統選擇默認值11信道。構建成功后，驅動(dòng)節點(diǎn)以直接方式加入網(wǎng)絡(luò )，即驅動(dòng)節點(diǎn)作為主控節點(diǎn)的子節點(diǎn)，由主控節點(diǎn)向驅動(dòng)節點(diǎn)發(fā)送，作為其子設備命令。主控節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中起協(xié)調器作用，負責網(wǎng)絡(luò )構建。為確保系統安全可靠工作，系統采用分布式分配機制為每個(gè)節點(diǎn)分配自己的地址，主控節點(diǎn)在組網(wǎng)以后使用0x0000作為自己的短地址，在驅動(dòng)執行節點(diǎn)加入系統網(wǎng)絡(luò )后，由主控設備隨機分配一個(gè)不重復的16位短地址作為自己唯一的地址來(lái)進(jìn)行通訊。主控節點(diǎn)控制軟件包括兩類(lèi)傳感器解析函數、計算決策程序、參數設定程序、液晶顯示程序和時(shí)鐘程序等子程序;驅動(dòng)節點(diǎn)作為終端節點(diǎn)，在完成調光控制命令接收后，將控制信號輸出給繼電器和驅動(dòng)電路;LED執行器根據調光控制命令實(shí)時(shí)調節紅藍光LED燈組狀態(tài)，實(shí)現溫室光環(huán)境的多種方式以及無(wú)線(xiàn)控制。
4運行結果
本設備已通過(guò)實(shí)驗測試，并應用于西北農林科技大學(xué)某實(shí)驗基地。試驗證明，系統可根據用戶(hù)實(shí)際需要實(shí)現手動(dòng)控制、定時(shí)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采用無(wú)線(xiàn)傳輸方式進(jìn)行準確傳輸。其中，在閾值控制方式下，主控節點(diǎn)可完成溫室實(shí)時(shí)溫度、紅藍光光強等環(huán)境因子檢測，并基于光合作用機理精確決策溫室作物實(shí)際需光量;驅動(dòng)節點(diǎn)可穩定接收實(shí)際調光數據，并準確輸出給驅動(dòng)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(tài)。
5結論
�。�1）本文設計了一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設施農業(yè)調光系統，可通過(guò)用戶(hù)實(shí)際需求選擇多種控制方式對溫室作物光環(huán)境進(jìn)行無(wú)線(xiàn)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(huán)境因子精確計算作物實(shí)際需光量，實(shí)現了溫室光環(huán)境的實(shí)時(shí)按需調節。
�。�2）系統結合溫室實(shí)際生產(chǎn)條件，采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)傳輸調光命令，有效降低了系統部署難度與維護成本;采用新一代LED光源，減少了生產(chǎn)成本，節約了能源。
�。�3）經(jīng)過(guò)實(shí)際部署和運行證明，系統具有穩定性好、準確性高、部署簡(jiǎn)單和能耗少等優(yōu)點(diǎn)。
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