基于CC2530的智能农业控制系统的研究与实现

杨一成，辛政华，胡良益，张从雪

1.宿州学院信息工程学院，安徽宿州，234000；2.宿州学院经济管理学院，安徽宿州，234000；3.宿州学院文学与传媒学院，安徽宿州，234000；

传统农业的生产方式主要是人工劳作，这种生产方式不仅单一，而且还不能及时发现农作物生长状态，无法及时供给水肥与管理，严重影响农作物的产量。我国作为人口和农业大国，人们生活质量问题一直受到各界人士的关注，地区均衡和温饱问题长期受到政府的高度重视。传统农业的粗放型生产方式显然已不能满足现代社会发展的需要，并且带来的资源浪费、环境污染等问题严重阻碍着经济社会发展。当前，基于物联网的精细农业的研究致力于农业产业的发展和社会的进步。本文提出基于CC2530的智能农业控制系统是通过温度、光照、湿度等无线传感器对农业环境中的温度状况、光照强度以及空气中所含水分状况进行监测，及时实现自动化供给及指定手动控制补给。

1 系统实现原理

基于CC2530的智能农业控制系统是以物联网CC2530创新实验套件为基础平台，由智能主板(协调器)、温湿度传感器、光敏传感器、酒精度(GPIO)传感器、直流电机和继电器组组成的控制系统。以协调器为中心的星型拓扑结构，采用ZigBee协议的无线通信方式，其中，ZigBee使用IEEE802.15.4无线个人局域网，能够有效隔离802.11a及802.11b和g等无线局域网信号的干扰[1-2]。拓展节点温湿度传感器、光敏采集传感器、酒精度(GPIO)传感器分别布局在农田适宜之处，并对节点做好防护措施。温湿度传感器采集空气中温湿度数据，传送给协调器，由协调器作为中央处理器调度空调机和抽水电机，系统中配置的空调机可以按数据需求提高或降低温度，同时能够增强干燥度，而抽水电机会依照协调器接收的湿度数据控制水量补给。光度采集传感器采集光照数据后即通过ZigBee协议无线传送给协调器，协调器通过调度继电器组来控制灯光设备的断开与闭合。本系统为了更为精确地处理和方便手工操作，由协调器通过RS232转RJ-45网线连向网关主机，主控面板上可以清楚地看到作物生长环境数据，并且可以人工控制[3]。系统实现结构图和系统实现原理图如图1和图2。

图1 系统的硬件连接图

图2 系统的结构图

2 硬件设计

系统的硬件设计主要有智能主板、拓展节点、嵌入式网关主机。系统的各个硬件联系紧密，综合考虑了各个部分的长处和缺陷。

2.1 智能主板

智能主板即协调器，它不仅是系统硬件设计的中心，也是网络拓扑结构的中心，承担着数据接收、处理与转发的功能，上联网关或用户主机，下与各终端节点无线连接。协调器接收温湿度传感器发来的温度数据时，则会调度继电器组控制空调机；接收湿度数据时，则会将数据转发到GPIO所在节点(酒精度节点)，通过该节点调度GPIO接口来实现对抽水电机的控制。协调器接收光照数据时，同理调度继电器组来控制灯光设备。协调器的数据传送主要分为两种情况：一是数据传送到协调器；二是数据从协调器发出。数据从协调器传出的流程如图3所示。

图3 unlotted CSMA/CA工作流程图

2.2 拓展节点

系统的终端节点包括温湿度传感器、光照度采集传感器、酒精度传感器。温湿度传感器用以采集温湿度数据，光敏传感器用来探测光线补给情况，本系统的酒精度传感器并非用来检测环境中的酒精度值，而是借用其装置的GPIO接口去实现对电机的控制。各节点电路具有统一性，电流传感器量程在-2～+2 A；分度：0.01 A；电压传感器量程在-20V～+20 V；分度：0.01 V；温度传感器量程在-20～+130℃；分度：0.1℃；湿度传感器量程为0～100%，分度：0.1%；光照度传感器量程为0～10 000 Lx，分度：1 Lx；继电器控制为3组24 V AC/DC@0.5 A 长开触点，带瞬间电压抑制。

2.3 网关主机

系统搭建了无线网络创新实验平台，能够通过主机查看拓扑结构图，了解当前网内所在节点情况。由于本网采用星状网拓扑结构，分支节点可以自由融入或脱离。主机是通过RJ-45转RS232连接至协调器(图1、图2)，网关由RS232与协调器相连。

3 软件设计

3.1 程序与操作系统

软件运行在智能主板和拓展节点等硬件之中，打开硬件电源，操作系统会初始化系统时钟、通用I/O接口，同时，系统内部的定时器和看门狗以及各个通信接口都会被初始化，之后便开始执行主函数，查找优先级较高的事件。操作系统查找到当前要处理的事件，即开始层层调度，IIC是总线调度，用以数据传输和无线收发，Zigbee协议也是在其基础上实现的，A/D或D/A是数模转换。程序代码采用简单易懂的C语言进行编写，结合特定的宏编写，使得程序的可读性极好，逻辑性强，运行效率提升，层层嵌套分部调用，极大地缩短了响应时间，提高了响应效率。系统的高稳定性也与此息息相关[4-5]。

3.2 无线通信

系统的通信采用基于ZigBee协议的无线通信模式。Zigbee通信协议由IEEE802.15.4无线标准开发研制出的通信协议，包含了编号从0到26共有27个的物理信道。Zigbee协议中的27个信道被分为三个不同的频段，按照规定仅有0号信道一个信道使用868 MHz频段，而1到10号信道被规定使用915 MHz，2 400 MHz频段是最大的频段，占用11到26号共16个信道。该协议的使用必须符合当地管理部门的规定。系统利用ZigBee协议，在硬件上调用IIC总线，使打包后的数据转换成一种无线电波发送出去，另一端同样通过IIC总线并按照ZigBee协议集中固有模式接收，通常每个模块都同时具有发送消息包和接收消息包的功能。ZigBee协议集中IIC控制收发代码，以温湿度节点调度端为例。

Static void IICControlSensor(uint16 SampleMode,uint16 SamplingSpeed,uint16 SensorID)

{

…………

switch(SensorID)

{

case resCode_Ultrasonic:

uwavetime=Ultrasonic_start();

if((uwavetime>3)&&(uwavetime<90))

{

*ADCdata=uwavetime*17/10;

osal_memcpy((void *)&(SendUpSBoardDataPacket.data),ADCdata,2);

SendUpSBoardDataPacket.Len=22;

Sendflag=1;

sendReport((uint8*)(&SendUpSBoardDataPacket),SendUpSBoardDataPacket.Len);

}

break;

default:break;

}

SendUpSBoardDataPacket.Hdr='@';

SendUpSBoardDataPacket.TransportID=0;

SendUpSBoardDataPacket.MSGCode=SENDUP_NODE_SBOARD_DATA;

SendUpSBoardDataPacket.NodeAddr=myShortAddr;

SendUpSBoardDataPacket.ModeID=SensorID;

}

4 结 论

系统设计的初衷是致力于精细农业的研究，以物联网实验为基础工具，综合考虑现代化农业发展的现状和实验器材的限制。实验过程中，尽量模拟真实环境，使实验室温度控制在24℃～26℃间，在温度采集传感器中设置控制值为24.5℃～26.5℃之间，初始化系统后，系统进入正常工作状态。然后，实验小组成员打开窗户对实验环境进行降温，3 min 35 s后室内温度低于23.5℃，系统的蜂鸣器响应，同时协调器端连接的空调机启动，开始给室内供暖。又过2 min 15 s，温度恢复到24.5℃～26.5℃范围内，如图4，空调机停止工作。对湿度的控制，将相对湿度25～90%设置为合理湿度范围，初始化系统后，系统正常。然后，小组成员用吹风机在实验器材周围进行干化空气水分，传感器在约2 s时调动蜂鸣器，同时发送数据至协调器，协调器依据数值调动抽水电机，对环境进行补充水分。协调器与抽水电机连接状态如图5。本系统在设计的初始阶段，一直重点关注设计成果的可用性，大量的实验证明，系统功能非常稳定，响应速度和效率都比较高，在实验的最后阶段模拟了一系列环境测验，系统也很好地通过了测试。本系统能够实现农业环境的自动控制，并且可以人工参与，具有很强的应用性，为现代农业的发展提供一个有效的措施。

图4 温湿度传感器测得的温湿度值显示在串口调试助手中图5 温湿度传感器控制电机

参考文献：

[1]杨春勇,牛磊.基于ZigBee的设施农业环境监测系统的设计与实现[J].中南民族大学学报,2012，31(1)：88-92

[2]郑闪,张晓凌.基于物联网技术的精细农业信息服务平台的研究[J].电脑与信息技术,2012,20(2)：50-55

[3]辛政华,赵轶,邵笑笑，等.基于物联网的C/S架构的智能农业系统的设计[J].宿州学院学报，2011，26(11)：25-27

[4]严蔚敏,吴伟民.数据结构[M].北京：清华大学出版社,2011：13-39

[5]王元珍.80X86汇编语言程序设计[M].武汉：华中科技大学出版社,2005:150-187