基于CC2530農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

張青春

（淮陰工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，淮安 223003）

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它將信息采集、傳輸和處理集于一體，實(shí)現(xiàn)了傳感器、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)的融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為現(xiàn)代信息技術(shù)中的一個(gè)熱門的研究領(lǐng)域，受到廣泛關(guān)注。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多學(xué)科交叉的綜合性科學(xué)研究領(lǐng)域，對(duì)于其網(wǎng)絡(luò)所分布的區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象的信息能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控、感知和采集，并且將這些信息先進(jìn)行處理，然后通過無(wú)線方式傳輸給監(jiān)控主機(jī)或者需要使用這些信息的用戶。

采用zigbee技術(shù)和CC2530核心芯片，利用太陽(yáng)能電池板提供能源，設(shè)計(jì)一種集成溫度、濕度和光強(qiáng)檢測(cè)于一體的智能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。該傳感器可用于農(nóng)作物主要生長(zhǎng)參數(shù)因子檢測(cè)，也可用于環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，具有一定的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本設(shè)計(jì)采用無(wú)線傳感技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，以PC機(jī)為上位機(jī)，記錄數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)圖如圖1所示。

1.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

采用太陽(yáng)能電池供電方式，使用蓄電池存儲(chǔ)電能，通過電源電路轉(zhuǎn)換，為各模塊提供所需電源，維持電路的正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)以CC2530模塊為控制核心，選擇不同的傳感器分別檢測(cè)溫度、濕度和光強(qiáng)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 CC2530模塊

1）CC2530模塊主要特性：CC2530模塊具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，集定時(shí)、數(shù)據(jù)采集于一體，適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器。CC2530模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能有：通過8路12位A/D口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無(wú)線RF模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過I/O口響應(yīng)主機(jī)控制。

2）CC2530模塊傳輸距離的改進(jìn)：無(wú)線傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其低復(fù)雜度、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于CC2530的無(wú)線通信部分的發(fā)射功率較低，加上其接收靈敏度也固定在一定水平，這樣就限制了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信距離。若在CC2530模塊增加2.4 GHz的射頻前端芯片CC2591來(lái)提高無(wú)線通信部分的發(fā)射功率，進(jìn)一步改善其接收靈敏度，從而可以擴(kuò)展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，信號(hào)傳輸距離可達(dá)1000米以上。

圖1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖

圖2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)圖

圖3 總體電路圖

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

1）太陽(yáng)能電池板：太陽(yáng)能電池是一種大有前途的新型能源，具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點(diǎn)。太陽(yáng)能電池壽命長(zhǎng)，只要太陽(yáng)存在，太陽(yáng)能電池就可以一次投資而長(zhǎng)期使用，而無(wú)需額外增加使用成本。選用最大輸出電壓為9V單晶硅太陽(yáng)能電池板，給鋰電池充電，可以滿足無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的需要。

2）可充電鋰電池保護(hù)電路模塊：充電鋰電池保護(hù)電路主要起防過充電和防過放電的作用。XB5351系列產(chǎn)品是高集成度的鋰電池保護(hù)解決方案。XB5351集成了先進(jìn)的功率管，高精度電壓檢測(cè)和延遲電路。設(shè)計(jì)中選用XB5351A鋰電池保護(hù)芯片，其主要有反接保護(hù)功能、過溫保護(hù)功能、過充電流保護(hù)功能、兩段電流保護(hù)功能（過流保護(hù)和短路保護(hù)）、防倒流等功能，電壓檢測(cè)精度為50mV。

3）電源電壓轉(zhuǎn)換電路模塊：采用兩節(jié)3.7V可充電鋰電池供電，選擇L7805進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)。L7805是三端穩(wěn)壓集成電路，輸入端接6-7.5VDC，輸出5VDC給各傳感器供電，再通過三個(gè)二極管降壓，降為3.3V給CC2530供電。

2.3 傳感器模塊設(shè)計(jì)

1）溫度傳感器LM35D：將測(cè)溫傳感器與放大電路做在一個(gè)硅片上，形成一個(gè)集成溫度傳感器。 測(cè)溫范圍為0℃-100℃，工作電壓為4-30V，精度為±1℃，最大線性誤差為±0.5℃，靜態(tài)電流為80uA；其輸出電壓與攝氏溫標(biāo)呈線性關(guān)系，0 ℃時(shí)輸出為0V，每升高1℃，輸出電壓增加10mV。

2）濕度傳感器AM1001：傳感器輸出模擬電壓信號(hào)，具有精度高、可靠性高、功耗低、帶溫度補(bǔ)償、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、使用方便及價(jià)格低廉等特點(diǎn)。傳感器濕度測(cè)量范圍為0-100%RH，電壓輸出為0.0－3.0V，電壓與濕度之間為線性關(guān)系。

3）光強(qiáng)傳感器：太陽(yáng)能電池除了作為供電電源以外，在此兼作光強(qiáng)傳感器使用，將其與100Ω電阻串聯(lián)后與CC2530相連。

2.4 總體電路設(shè)計(jì)

選擇傳感器LM35D、AM1001、太陽(yáng)能電池板分別檢測(cè)溫度、濕度和光強(qiáng)，每個(gè)傳感器輸出均是模擬量，成本低，編程簡(jiǎn)單。三個(gè)傳感器分別接入CC2530的P0口，其中溫度傳感器接CC2530模塊的P0.1端（對(duì)應(yīng)CC2530中AD轉(zhuǎn)換通道IN1），濕度傳感器接CC2530模塊的P0.2端（對(duì)應(yīng)CC2530中AD轉(zhuǎn)換通道IN2），光強(qiáng)傳感器采用CC2530中P0.3口（對(duì)應(yīng)CC2530中AD轉(zhuǎn)換通道4）。總體電路圖如圖3所示。

3 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 節(jié)點(diǎn)流程圖

傳感器節(jié)點(diǎn)在不采集數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，關(guān)閉通訊模塊，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被查詢時(shí)開始發(fā)送和接受狀態(tài)，采集數(shù)據(jù)，延時(shí)等待發(fā)送命令，收到命令后發(fā)送數(shù)據(jù)，若延時(shí)結(jié)束時(shí)仍未收到命令，則說(shuō)明通信出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)處理，如此循環(huán)。節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。

3.2 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

由于篇幅限制，本文僅給出節(jié)點(diǎn)部分軟件如下：

#if defined（ACCEL_SENSOR）

P1SEL = P1SEL & 0xfb；

APCFG |= （（0x01 << 3）| （0x01 << 2）|（0x01 << 1））；/* 使能P0.1、P0.2和P0.3為模擬輸入引腳 */

#endif

#if defined（ACCEL_SENSOR）

uint16 readAccelX（void）

{

volatile unsigned char tmp，n；

signed short adcvalue；

ADCCON3 = （（0x02 << 6）| // 采用AVDD5引腳上的電壓為基準(zhǔn)電壓

（0x03 << 4）| // 抽取率為512，相應(yīng)的有效位為12位（最高位為符號(hào)位）

0x01）；//（0x01 << 1））； // 選擇單端輸入通道1（P0.1）

while （（ADCCON1 & 0x80）!= 0x80）；/*等待通道1轉(zhuǎn)換完成 */

adcvalue = （signed short）ADCL；

adcvalue |= （signed short）（ADCH << 8）；/* 從ADCL，ADCH讀取轉(zhuǎn)換值，此操作還清零ADCCON1.EOC */

if（adcvalue < 0）adcvalue = 0；/* 若adcvalue小于0，就認(rèn)為它為0 */

adcvalue >>= 4； // 取出12位有效位

return （uint16）adcvalue；

uint16 readAccelY（void）

{

……

#endif

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)流程圖

4 傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)試與誤差分析

4.1 監(jiān)控軟件中參數(shù)的確定

調(diào)試時(shí)使用ZigbemPC軟件開發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)提供了二元二次函數(shù)y=A*x*x+B*x+C，設(shè)計(jì)選用的三個(gè)傳感器因輸入輸出關(guān)系均為線性關(guān)系，故A=0。

1）溫度傳感器函數(shù)中參數(shù)的確定：已知輸入輸出關(guān)系為y=B*x+C，與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行對(duì)比，取兩點(diǎn)數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)溫度T=24℃時(shí)，檢測(cè)界面顯示t=192，T=30℃時(shí)，t=216，計(jì)算得B=0.25，C=-24，即溫度傳感器LM35D在程序中線性輸出關(guān)系為y=0.25*x-24，單位為℃。

2）濕度傳感器函數(shù)中參數(shù)的確定：濕度傳感器AM1001參數(shù)確定方法同上，得B=0.0405，C=-6，即其輸入輸出關(guān)系為y=0.0405*x-6，單位為%RH。

3）光強(qiáng)傳感器函數(shù)中參數(shù)的確定：光強(qiáng)傳感器初始值為0，即C=0，取點(diǎn)得B=5.5，為便于數(shù)據(jù)分析時(shí)三條曲線的顯示，將光強(qiáng)數(shù)值縮小100倍，即B=0.055，光強(qiáng)單位原為坎德拉（cd），現(xiàn)改為*100cd，則輸入輸出關(guān)系為y=0.055*x 。

4.2 軟件調(diào)試

將已編寫的節(jié)點(diǎn)軟件下載到傳感器節(jié)點(diǎn)中，組網(wǎng)成功后，監(jiān)控界面顯示傳感器各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖5為節(jié)點(diǎn)1（編號(hào)為13519）數(shù)據(jù)分析波形圖，圖中紅色為溫度，藍(lán)色為濕度，黑色為光強(qiáng)。

4.3 誤差分析

將開發(fā)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱中溫濕度節(jié)點(diǎn)和自行設(shè)計(jì)農(nóng)作物傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)組網(wǎng)，觀察數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如圖6所示。由于光強(qiáng)傳感器反應(yīng)較靈敏，且光強(qiáng)大小與太陽(yáng)能電池板暴露面積有關(guān)，不容易控制，故此處未作比較。以實(shí)驗(yàn)箱溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)（編號(hào)為34846）測(cè)得值為真值，與設(shè)計(jì)的農(nóng)作物傳感器節(jié)點(diǎn)（編號(hào)為13519）實(shí)測(cè)溫度對(duì)比如表1所示，濕度對(duì)比如表2所示。由表1數(shù)據(jù)可得，溫度誤差范圍在-2.3℃～0.92℃內(nèi)，平均絕對(duì)誤差為1.04℃，平均相對(duì)誤差為3.99%；由表2數(shù)據(jù)可得，濕度誤差范圍在-4.23% ～-0.06%RH內(nèi)，平均絕對(duì)誤差為1.69%RH，平均相對(duì)誤差為3.46%。通過對(duì)比，平均相對(duì)誤差均小于4%，完全可以滿足工程測(cè)量精度要求。如果進(jìn)一步改善測(cè)量條件，修正測(cè)量公式中的參數(shù)，相對(duì)誤差可控制在1%以內(nèi)。

5 結(jié)論

將農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)因子中溫度、濕度、光強(qiáng)三個(gè)重要的參量檢測(cè)，集成在一個(gè)測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)線節(jié)點(diǎn)的多傳感器信息融合，可以有效地減少測(cè)量無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分布數(shù)量，節(jié)省硬件投入；采用太陽(yáng)能電池板給充電電池充電，為無(wú)線傳感器提供電源，同時(shí)太陽(yáng)能電池板兼作光強(qiáng)測(cè)量傳感器使用，提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，減少了頻繁更換電池的麻煩；采用CC2530+CC2591設(shè)計(jì)方案，傳輸距離可達(dá)1000米以上，擴(kuò)展了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用范圍；結(jié)合上位機(jī)的農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)因子數(shù)據(jù)庫(kù)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的智能化。

該傳感器節(jié)點(diǎn)不僅用于農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)因子的監(jiān)測(cè)，也可用于各類環(huán)境參數(shù)的測(cè)量，具有一定的實(shí)用性和推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖5 節(jié)點(diǎn)1數(shù)據(jù)分析波形圖

圖6 溫濕度節(jié)點(diǎn)和農(nóng)作物節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)比較圖

表1 溫度對(duì)比表（單位：℃）

表2 濕度對(duì)比表（單位：%RH）

[1] 高峰,盧尚瓊,徐青香,姜慶臣.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展[J].浙江農(nóng)林學(xué)院學(xué)報(bào),2010,27(5):762-769.

[2] 孫玉文,沈明霞,陸明洲等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2011,23(3).

[3] 黃玉立,童玲,田雨.基于CC2531+CC2591的WSN節(jié)點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)[J].Microcontrollers ＆ Embedded Systems,2011,11(1).

[4] 王東濤,鞠鳳船.農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(35).