基於無線傳感器網絡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傳感器網絡，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，主控節點實現網絡構建、環境資訊採集、數據處理分析、人機交互及調光命令下發等功能;驅動節點主要實現控制命令接收、數據解析及調光數據輸出等功能;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設備FFD(FullFunctionDe-vice)，具備網絡協調功能，可聯結其他FFD或精簡功能設備(RFD)，組建無線傳感器網絡，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、人機交互模組(即液晶顯示及按鍵)、工作指示燈、時鐘模組以及復位模組，分別完成數據採集、人機交互和復位等控制功能。驅動節點採用簡化功能設備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，選用中心波長爲660nm、半波帶寬度爲40nm的紅光LED，以及中心波長爲450nm、半波帶寬度爲40nm的藍光LED兩種特定波段LED作爲光源，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系統硬件設計

2．1主控節點結構及硬件設計

主控節點主要負責構建及啓動網絡、網絡參數選擇、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、人機交互等功能，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作爲中央處理器，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接入手動按鈕;人機交互模組電路爲液晶分別與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芯片手冊設計開發，降低了開發難度。

2．1．2人機交互模組

系統選用DB12864－16C作爲液晶顯示，採用普通復位按鍵作爲設備按鍵，在滿足系統工作要求的條件下，爲節省I/O口使用，液晶與CC2530連接採用串行SPI方式進行通信，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適配器爲主控節點供電。電源輸入後，經過降壓芯片ASM－1117典型電路爲系統提供3．3V直流電壓。數據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作爲溫度傳感器和ISL29010作爲光照傳感器，透過在光照傳感器上覆蓋紅藍光濾光片以及軟件修正，實現對光合作用有效波段監測。時鐘模組根據DS1302芯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，爲滿足系統後期擴展需求，將剩餘I/O口作爲備用擴展口使用，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。具體電路爲:P1．0連接紅光LED驅動電路，P1．1連接藍光LED驅動電路，P1．5連接紅光信號繼電器，P1．6連接藍光信號繼電器。LED執行器包括驅動模組及紅藍光LED燈組，由24V電源供電。驅動模組選擇PT4115驅動芯片，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系統軟件設計

本系統以IAR爲軟件開發平臺，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代碼，並對代碼進行調試。代碼採用C語言開發，不僅有利於軟件代碼的可讀性，而且能夠滿足對硬件功能的調試和控制，大大縮短了系統開發週期。系統軟件主要包括節點間數據傳輸和節點功能軟件兩個部分。節點數據傳輸過程:首先，透過主控節點進行信道掃描，選擇合適的信道組建網絡。在IEEEE802．15．4協議中，將2．4G頻段劃分16個信道，編號爲11－26。本系統選擇默認值11信道。構建成功後，驅動節點以直接方式加入網絡，即驅動節點作爲主控節點的子節點，由主控節點向驅動節點發送，作爲其子設備命令。主控節點在網絡中起協調器作用，負責網絡構建。爲確保系統安全可靠工作，系統採用分佈式分配機制爲每個節點分配自己的地址，主控節點在組網以後使用0x0000作爲自己的短地址，在驅動執行節點加入系統網絡後，由主控設備隨機分配一個不重複的16位短地址作爲自己唯一的地址來進行通訊。主控節點控制軟件包括兩類傳感器解析函數、計算決策程序、參數設定程序、液晶顯示程序和時鐘程序等子程序;驅動節點作爲終端節點，在完成調光控制命令接收後，將控制信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

本設備已透過實驗測試，並應用於西北農林科技大學某實驗基地。試驗證明，系統可根據用戶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數據，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傳感器網絡的設施農業調光系統，可透過用戶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，採用無線傳感器網絡技術傳輸調光命令，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。