基于无线传感器网络调光系统设计研究

1系统工作原理及结构设计

系统核心处理模块基于CC2530开发设计，选用星型拓扑结构组建无线传感器网络，具有容量大、低成本和低功耗等特点，且相邻两个节点传输距离可达10～150m，完全满足温室内无线调光系统设计需求。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;驱动节点主要实现控制命令接收、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。主控节点采用全功能设备FFD(FullFunctionDe-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，根据系统设计要求，主控节点具有控制功能。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、人机交互和复位等控制功能。驱动节点采用简化功能设备RFD(ReducedFunc-tionDevice)与主控节点进行信息传输，同时完成控制命令输出;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两种特定波段LED作为光源，可根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节。

2系统硬件设计

2．1主控节点结构及硬件设计

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、控制方式选择、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。

2．1．1核心处理模块

系统选用CC2530作为中央处理器，内含高性能低功耗8051微控制器，工作电压3．3V，外设21个I/O口。其中，P1．0接入系统正常工作信号LED指示灯;P0．1接入手动按钮;人机交互模块电路为液晶分别与P0．0，P1．2，P1．5和P1．6连接，按键与P0．6和P2．0口连接;P0．2，P0．4，P0．5与时钟芯片DS1302相连;P1．4口与温度传感器连接，P1．1和P1．3口与光照传感器相连。具体电路根据CC2530芯片手册设计开发，降低了开发难度。

2．1．2人机交互模块

系统选用DB12864－16C作为液晶显示，采用普通复位按键作为设备按键，在满足系统工作要求的条件下，为节省I/O口使用，液晶与CC2530连接采用串行SPI方式进行通信，按键电路利用SN74HC32或门和LM358运放共同实现。具体电路根据SPI方式及运放典型电路开发设计。

2．1．3其他模块

电源模块采用5V适配器为主控节点供电。电源输入后，经过降压芯片ASM－1117典型电路为系统提供3．3V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覆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。时钟模块根据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控制功能。同时，为满足系统后期扩展需求，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能力。

2．2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，只完成调光控制命令接收与信号输出功能，可减少电路设计，降低了智能调光系统的成本。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块。具体电路为:P1．0连接红光LED驱动电路，P1．1连接蓝光LED驱动电路，P1．5连接红光信号继电器，P1．6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灯组根据植物生长所需光环境由若干红蓝光LED按比例组成。

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-Bee2007协议栈进行开发移植，生成高效可靠的可执行代码，并对代码进行调试。代码采用C语言开发，不仅有利于软件代码的可读性，而且能够满足对硬件功能的调试和控制，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部分。节点数据传输过程:首先，通过主控节点进行信道扫描，选择合适的信道组建网络。在IEEEE802．15．4协议中，将2．4G频段划分16个信道，编号为11－26。本系统选择默认值11信道。构建成功后，驱动节点以直接方式加入网络，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。为确保系统安全可靠工作，系统采用分布式分配机制为每个节点分配自己的地址，主控节点在组网以后使用0x0000作为自己的短地址，在驱动执行节点加入系统网络后，由主控设备随机分配一个不重复的16位短地址作为自己唯一的地址来进行通讯。主控节点控制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，在完成调光控制命令接收后，将控制信号输出给继电器和驱动电路;LED执行器根据调光控制命令实时调节红蓝光LED灯组状态，实现温室光环境的多种方式以及无线控制。

4运行结果

本设备已通过实验测试，并应用于西北农林科技大学某实验基地。试验证明，系统可根据用户实际需要实现手动控制、定时控制、阈值控制以及定量控制等多种控制方式调光，且所有控制命令均可采用无线传输方式进行准确传输。其中，在阈值控制方式下，主控节点可完成温室实时温度、红蓝光光强等环境因子检测，并基于光合作用机理精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，并准确输出给驱动电路和继电器，LED执行器可根据控制命令准确调节LED灯组输出状态。

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控制方式对温室作物光环境进行无线调控。其中，阈值控制方式综合考虑作物光合作用影响因素，根据温室温度、红蓝光光强等环境因子精确计算作物实际需光量，实现了温室光环境的实时按需调节。

（2）系统结合温室实际生产条件，采用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成本;采用新一代LED光源，减少了生产成本，节约了能源。

（3）经过实际部署和运行证明，系统具有稳定性好、准确性高、部署简单和能耗少等优点。

作者：樊宏攀 李建良 刘正道 单位：西北农林科技大学