基于CC2530的环境数据采集系统

戴昊 龚美凤 谭武军 刘兰兰

摘 要：本数据采集系统结合山区农作物生长特点，以及利用无线传感网技术（WSN）和GPRS技术对山区农作物种植环境进行海量数据监控，克服山区无基础网络铺设的困难，实现作物生长环境参数的实时监测，在第一时间了解它们的需求，极大提高了资源利用率，提高了公司的管理水平和效率，其主要优点有：使用CC2530组网可实现传感节点大规模部署，且具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理；并且CC2530运行功耗低，极适合山区环境监测。

关键词：CC2530；ZigBee；环境数据采集

中图分类号：TN014 文献标识码：A

1 引言

2002年，英特尔公司在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，将无线传感器结点人工分布在葡萄园中，对园中土壤的温度以及养分含量等作物生长条件进行实时监控。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作物管理决策平台，该平台利用了无线传感网技术（WSN）实现对农田的温度、湿度、光照等信息的监测。北京市“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”项目，将无线传感网技术（WSN）应用于温室蔬菜生产中，将温室作为一个监控区，使用无线传感网（WSN）技术对温度、PH值、含水量、光照强度等进行测量，根据实际需要，对温室条件进行调整，以达到农作物生长的最佳条件，增加作物产量。国内外信息化农业的实践表明：无线传感网技术（WSN）有利于提高农作物的资源利用率。

2 系统的设计思路

该环境监测无线传感器网络采用基于ZigBee协议进行构建，其中硬件利用CC2530芯片作为无线射频通信的核心器件，并且通过土壤湿度、空气温度、二氧化碳浓度、土壤酸碱度、光照强度等传感器获取农作物生长环境的参数，终端节点通过CC2530单片机获取各个传感器的参数值，协调器创建ZigBee无线传感网络，终端节点通过ZigBee无线传感网络将数据汇总给协调器，协调器将传感器的数据整理打包通过串口将数据发送给K60主控制器，K60通过CCD摄像头获取农作物的叶片信息以及ZigBee获取的不同远近的RSSI的值进行算法分析，得到不同位置的农作物叶片真实的大小。

3 芯片与传感器的选择

3.1 环境数据采集节点

環境数据采集节点组件包括DC-DC模块、CC2530模块和传感器模块，所述传感器模块采用氮监测传感器、PH值传感器、水分传感器和光强传感器等。其中传感器模块与DC-DC模块相连，DC-DC模块输出端与CC2530模块相连；温湿度传感器和光强传感器采集电池组件背板和环境参数，与CC2530模块内嵌的8051单片机的I/O口相连。节点组件中的CC2500模块将传感器模块采集到的参数通过无线射频方式发送给对应的路由组件，实现节点组件状态参数的无线传输。采用TI公司的CC2530F128芯片设计CC2430模块，通过写入初始化程序和应用程序，实现节点组件的初始化和组网。

3.2 路由节点

路由节点包括DC-DC模块、CC2530模块、485通讯模块、USB模块、GPRS模块；CC2530模块通过485通讯模块、USB模块、GPRS模块与其他外设进行多种方式的信息交互。路由组件中的CC2530模块将自身的状态参数和接收到的节点组件的状态参数存储在内置存储器中，通过无线射频方式定时发送给对应协调器，实现农作物种植环境监测数据矩阵单元状态参数的无线传输。采用TI公司的CC2530F128芯片设计CC2530模块，通过写入初始化程序和应用程序，实现路由组件的初始化和组网。485通讯模块、USB模块和GPRS模块分别与CC2530F128芯片的串口相连，连通多种外设。

3.3 协调器

协调器包括电源模块、CC2430模块、USB模块和RS232模块。其中，电源模块分别与CC2530模块、GPRS模块、USB模块相连，为上述模块供电；CC2530模块通过USB模块与其他外设进行多种方式的信息交互。系统组网成功后，协调器中的CC2530模块将接收到的来自路由组件发送的状态参数通过RS232模块实时传输给与之相连的K60，实现农作物种植的阵列状态参数的汇集。采用PL2303HX芯片设计USB模块，采用MAX3232E芯片设计RS232模块和TI公司的CC2530F128芯片设计CC2530模块，通过写入协调器应用程序，实现协调器组网。

协调器连接的K60控制器是一个32位处理器内核的M4控制器。内部的数据路径是32位的，寄存器是32位的，存储器接口也是32位的。CM4 采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。该控制器是高效的信号处理功能与 Cortex-M 处理器系列的低功耗、低成本和易于使用的优点的组合，能够完美的实现环境数据采集系统的功能

4 系统软件设计

本系统使用线性CCD摄像头对农作物的叶片的图像进行采集，然后将数据传输到K60，利用C语言算法的有效判别和分析，提取对应的RGB值提取对应的RGB值，通过中值滤波算法去除光照和阴影的影响，然后将RGB的值转换为灰度值，提取出叶片颜色的范围内的灰度值的像素点，求得叶片像素点与原始图片像素点个数的比值。进一步，ZigBee利用传输的信号强度RSSI的值，通过算法计算得到每个节点到主控制器的距离值，进而求得拍摄的每个叶片位置到摄像头的距离，结合计算出的像素点比值与距离比值的函数，分析求得叶片的大小，具体程序流程如图2所示。

在采集节点和配有传感器的路由器中，传感器的数据每隔一段时间采集。其实现是在TI公司基于ZigBee网络开发Zstack协议栈中实现的。为实现定时采集，使用OSAL操作系统提供的osal_start_reload_timer定时触发函数，该函数的功能是在规定的的时间（1000ms）后触发中断服务程序，并且将任务代码和消息代码写入任务轮询函数中。但任务轮询函数再次扫描时，就会触发对应事件的消息，并执行相应的数据采集代码，当数据采集完成后，再利用AF_DataRequest数据发送函数将采集到的环境数据通过ZigBee网络发送至协调器。程序流程如图3所示。

结论

智能农业是未来农业发展的大势，在传统农业中加入环境数据监测能够通过对环境数据（温湿度、PH值、二氧化碳浓度等）的分析在一定程度上知道农作物当前的生长速度以及生理状态，从而改变农作物所处环境的环境参数（如在光合作用较强时增加二氧化碳的浓度）以达到农作物增产的目的。而使用无线网络则增强了系统的可扩展性，和使用电缆通信相比，系统在布置和后续扩展时，使用ZigBee无线网络的环境数据监测装置不仅容易扩展，而且传感器节点的布置更加灵活，所受环境因素影响更小。目前，该系统仅能显示并存储短时间内的数据，且查看地点固定，需有人长时间在显示端查看，浪费人力，且对农作物的增产作用有限，后续系统将结合物联网技术将环境数据上传至服务器存储、分析，并开发相应的移动客户端，以做到数据能随时随地的查看和处理。

参考文献

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基金项目：湖北民族大学大学生创新项目 2016CX079

作者简介：戴昊（1996），男，汉，湖北麻城，学生，本科。研究方向：电气工程及其自动化。