管窥利用WSN的农业调光系统设计.docx

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1、 管窥利用WSN的农业调光系统设计 1系统工作原理及构造设计 系统核心处理模块基于CC2530开发设计，选用星型拓扑构造组建无线传感器网络，具有容量大、低本钱和低功耗等特点，且相邻两个节点传输距离可达10150m，完全满意温室内无线调光系统设计需求。系统包括主控节点、驱动节点及植物LED执行器等3局部，其中，主控节点实现网络构建、环境信息采集、数据处理分析、人机交互及调光命令下发等功能;驱动光掌握方式。其中，阈值掌握方式可依据温室温度节点主要实现掌握命令接收、数据解析及调光数据输出等功能;植物LED执行器实现LED灯组调控及亮度输出。主控节点采纳全功能设备FFD(FullFunctionDe-

2、vice)，具备网络协调功能，可联结其他FFD或精简功能设备(RFD)，组建无线传感器网络，可双向传输信息，具有协调作用;同时，依据系统设计要求，主控节点具有掌握功能。电路设计增加环境光照与温度信息采集模块、人机交互模块(即液晶显示及按键)、工作指示灯、时钟模块以及复位模块，分别完成数据采集、人机交互和复位等掌握功能。驱动节点采纳简化功能设备RFD(ReducedFunc-tionDevice)与主控节点进展信息传输，同时完成掌握命令输出;植物LED执行器基于植物光合作用分析，选用中心波长为660nm、半波带宽度为40nm的红光LED，以及中心波长为450nm、半波带宽度为40nm的蓝光LED

3、两种特定波段LED作为光源，可依据驱动节点输出不同的调光命令，实现不同配光比的光环境调整。 2系统硬件设计 21主控节点构造及硬件设计主控节点主要负责构建及启动网络、网络参数选择、当前环境信息监测、掌握方式选择、计算调光值、调光命令下发、人机交互等功能，包括电源模块、核心处理模块、无线模块、人机交互模块、数据采集模块和时钟模块等局部， 211核心处理模块系统选用CC2530作为中心处理器，内含高性能低功耗8051微掌握器，工作电压33V，外设21个I/O口。其中，P10接入系统正常工作信号LED指示灯;P01接入手动按钮;人机交互模块电路为液晶分别与P00，P12，P15和P16连接，按键与P

4、06和P20口连接;P02，P04，P05与时钟芯片DS1302相连;P14口与温度传感器连接，P11和P13口与光照传感器相连。详细电路依据CC2530芯片手册设计开发，降低了开发难度。 212人机交互模块 系统选用DB1286416C作为液晶显示，采纳一般复位按键作为设备按键，在满意系统工作要求的条件下，为节约I/O口使用，液晶与CC2530连接采纳串行SPI方式进展通信，按键电路利用SN74HC32或门和LM358运放共同实现。详细电路依据SPI方式及运放典型电路开发设计。 213其他模块 电源模块采纳5V适配器为主控节点供电。电源输入后，经过降压芯片ASM1117典型电路为系统供应33

5、V直流电压。数据采集模块包括环境温度采集和光照采集两种。其中，温度采集选用DS18B20作为温度传感器和ISL29010作为光照传感器，通过在光照传感器上掩盖红蓝光滤光片以及软件修正，实现对光合作用有效波段监测。时钟模块依据DS1302芯片手册中典型电路设计，可实现系统时间设制以及定时掌握功能。同时，为满意系统后期扩展需求，将剩余I/O口作为备用扩展口使用，以提高系统实际应用及二次开发力量。 22驱动节点及植物LED执行器设计 驱动节点属于精简功能设备，只完成调光掌握命令接收与信号输出功能，可削减外围电路设计，降低了智能调光系统的本钱。驱动节点包括核心处理模块、无线接收模块、电源模块和继电器模

6、块。详细电路为:P10连接红光LED驱动电路，P11连接蓝光LED驱动电路，P15连接红光信号继电器，P16连接蓝光信号继电器。LED执行器包括驱动模块及红蓝光LED灯组，由24V电源供电。驱动模块选择PT4115驱动芯片，是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源，可用于驱动一颗或多颗LED串联。LED灯组依据植物生长所需光环境由若干红蓝光LED按比例组成，驱动节点与LED执行器原理。 3系统软件设计 本系统以IAR为软件开发平台，可以直接对Zig-Bee2023协议栈进展开发移植，生成高效牢靠的可执行代码，并对代码进展调试。代码采纳C语言开发，不仅有利于软件代码的可读性，而且能够满意对硬件功能

7、的调试和掌握，大大缩短了系统开发周期。系统软件主要包括节点间数据传输和节点功能软件两个局部。节点数据传输过程:首先，通过主控节点进展信道扫描，选择适宜的信道组建网络。在IEEEE802154协议中，将24G频段划分16个信道，编号为1126。本系统选择默认值11信道。构建胜利后，驱动节点以直接方式参加网络，即驱动节点作为主控节点的子节点，由主控节点向驱动节点发送，作为其子设备命令。主控节点在网络中起协调器作用，负责网络构建。为确保系统安全牢靠工作，系统采纳分布式安排机制为每个节点安排自己的地址，主控节点在组网以后使用0x0000作为自己的短地址，在驱动执行节点参加系统网络后，由主控设备随机安排

8、一个不重复的16位短地址作为自己唯一的地址来进展通讯。主控节点掌握软件包括两类传感器解析函数、计算决策程序、参数设定程序、液晶显示程序和时钟程序等子程序;驱动节点作为终端节点，在完成调光掌握命令接收后，将掌握信号输出给继电器和驱动电路;LED执行器依据调光掌握命令实时调整红蓝光LED灯组状态，实现温室光环境的多种方式以及无线掌握。 4运行结果 本设备已通过试验测试，并应用于西北农林科技大学某试验基地。试验证明，系统可依据用户实际需要实现手动掌握、定时掌握、阈值掌握以及定量掌握等多种掌握方式调光，且全部掌握命令均可采纳无线传输方式进展精确传输。其中，在阈值掌握方式下，主控节点可完成温室实时温度、

9、红蓝光光强等环境因子检测，并基于光合作用机理准确决策温室作物实际需光量;驱动节点可稳定接收实际调光数据，并精确输出给驱动电路和继电器，LED执行器可依据掌握命令精确调整LED灯组输出状态。目前，设备运行稳定，数据牢靠， 5结论 1)本文设计了一种基于无线传感器网络的设施农业调光系统，可通过用户实际需求选择多种掌握方式对温室作物光环境进展无线调控。其中，阈值掌握方式综合考虑作物光合作用影响因素，依据温室温度、红蓝光光强等环境因子准确计算作物实际需光量实现了温室光环境的实时按需调整。 2)系统结合温室实际生产条件，采纳无线传感器网络技术传输调光命令，有效降低了系统部署难度与维护本钱;采纳新一代LED光源，削减了生产本钱，节省了能源。3)经过实际部署和运行证明，系统具有稳定性好、精确性高、部署简洁和能耗少等优点。 ：樊宏攀李建良刘正道单位：西北农林科技大学信息工程学院