0 引言
隨著農業科技的快速發展。農業信息獲取是農業信息化建設的重要組成部分。其中的信息采集和控制技術是不可缺少的重要環節。除了溫濕度數據采集之外，農作物生長需要進行光合作用。因此調節適宜的光照度對于提高農作物產量和品質起著至關重要作用田。然而傳統的光照度監控系統采用人工監測和控制。具有施工成本高、不易擴展，同時有線傳輸面臨布線復雜，維護升級困難等。隨著ZigBee無線數傳傳感網絡通信技術的快速發展。本文提出一種基于Windows CE平臺和ZigBee無線模塊傳感網絡技術對農作物的光照度進行實時監控的設計方案。通過基于ZigBee協議的CC2530單片機和光照度傳感器及執行節點結合。可以實現光照度的自動監測和控制功能。
1 系統總體設計和工作流程
1．1 總體設計
為了提高傳統農業種植環境監控系統的靈活性和可擴展性，使光照度監控系統更加模塊化。在本系統設計中采用ZigBee無線模塊通信方式。系統中的網關模塊配置Windows CE嵌入式操作系統。改變以往網關附加進程較多、響應慢的問題。此外，系統網關附帶Window圖形管理界面。一方面為用戶提供更直觀地光照度數據信息和光照設備的工作狀態。另一方面可以通過觸摸屏控制和調節所處環境的光照度。系統采用開環控制方式進行控制，系統分為光照度數據采集、嵌入式網關數據處理和光照度控制三大部分。依次完成ZigBee無線數據采集、處理和光照度調節。系統總體結構見圖1。
圖1 光照度監控系統架構組成
1．2系統工作流程
首先由ZigBee無線數傳協調器建立通信網絡，然后ZigBee無線數傳傳感器節點和ZigBee執行節點分別加入該通信網絡，這樣就可以方便ZigBee協調器和ZigBee傳感器節點及ZigBee執行節點之間的數據通信。完成光照度數據的采集、處理和調節，以實現光照度自動監控。
1．2．1光照度ZigBee無線數據采集部分
ZigBee傳感器節點在加入ZigBee網絡成功之后。周期性的通過ADC方式采集光照度傳感器數據，該數據即反映了光照度。然后進行數據分析處理。處理的方法是將采集的數據和設定的閥值進行大小比較。若這個數據大于閥值f光照度偏暗)則向協調器無線發送開燈命令。否則發送關燈命令。
1．2．2嵌入式網關數據處理部分
ZigBee協調器節點可以接收來自ZigBee傳感器節點和ZigBee執行節點發送的數據信息。根據接收的數據判斷是光照度傳感器ZigBee無線數傳節點發送的命令字還是ZigBee執行節點發送的控制狀態。
若是前者。則直接轉發命令字到執行節點：若是后者。則將執行器節點的地址保存下來，以便ZigBee協調器節點向ZigBee執行節點發送控制命令時用。
1．2．3光照度控制部分
ZigBee數傳模塊執行節點在加入ZigBee無線數傳網絡成功之后。循環周期性的向ZigBee協調器節點發送自己的控制狀態。在整個系統中只有協調器節點會向ZigBee執行節點發送數據。當協調器節點有控制命令發送到執行節點時。執行節點接收并執行該命令，以便完成開燈和關燈操作。
2 系統的硬件設計
2．1 嵌入式網關模塊硬件設計本系統中，硬件設計主要有嵌入式網關模塊、光照度數據采集模塊和光照度控制模塊設計。嵌入式網關硬件結構如圖2所示。
圖2 嵌入式網關硬件結構示意圖
網關模塊處理器核心采用ARMll76JZF-S內核的$3C6410。它是一款三星公司推出的一個16／32位RISC微處理器。MMU支持WinCE、Linux、Android等操作系統。為移動設備和3G通信提供低功耗、性能高的應用處理器解決方案[31。
利用S3C6410的RS232連接協調器ZigBee無線模塊。協調器ZigBee無線模塊采用德州儀器公司的CC2530芯片。CC2530已經在內部固化了ZigBee協議棧的物理層和MAC層。它不僅結合了領先的RF收發器的優良性能。而且能夠以很低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530具有不同的運行模式，使得它能夠適應超低功耗要求的系統。本系統CC2530只需配置簡單的外圍設備就可以組成協調器的收發模塊。更好地提供了一個真正的片上系統解決方案。
存儲模塊采用K9F1216UOA(128MB)和K4S561632f64MBl分別作為系統的Nand Flash和SDRAM。LCD顯示模塊選用四線電阻式觸摸屏接口，可以直接連接四線電阻觸摸屏。
2．2光照度ZigBee無線模塊硬件設計
光照度ZigBee無線數據采集模塊包括ZigBee數傳模塊傳感節點和光敏傳感器。ZigBee數傳模塊傳感節點和后面的ZigBee執行節點也是選用德州儀器公司的CC2530芯片。光敏傳感器使用光敏電阻搭載ZigBee智能傳感器底板。用于光的測量、控制及光電轉換。當光照度增強時，光敏電阻的阻值會減小。經過電路轉換將阻值變化轉換為電壓變化。最后通過MD把電壓變化轉換為數字量來反映光照度的改變。電路圖如圖3所示，圖中J18與CC2530單片機的PO口相連。C30為濾波電容。R21為分壓電阻。
圖3 光照度傳感器模塊電路圖
2．3光照度控制模塊硬件設計
光照度控制模塊包括ZigBee模塊執行節點和控制模組。控制模組主要有6個5V繼電器，兩個雙層USB口及控制電路三部分組成。它主要實現對開關量的控制及對USB接口供電的電器設備控制。
ZigBee無線模塊執行節點接收來自Windows CE嵌入式網關ZigBee協調器節點發送的指令。然后控制這六個繼電器的一個端口的通斷以實現一個光照設備的開和關操作。光照度控制模塊工作方式如圖4所示。
圖4 光照度控制模塊工作圖
3 系統的軟件設計
3．1 Windows CE嵌入式網關平臺構建嵌入式網關采用ARMll硬件平臺。通過指定的BSP包定制編譯其上運行的Windows CE操作系統。然后根據具體硬件運行環境生成并導出SDK。這樣通過VS。NET開發的軟件系統能夠成功運行在WindowsCE平臺上同。如圖5所示Windows CE系統開發流程。
圖5 Windows CE系統開發流程
3．2 Windows CE嵌入式網關平臺主程序流程設計ZigBee傳感器節點和ZigBee執行節點分別將光照傳感器數據信息和光照設備的亮滅狀態信息無線發送至ZigBee協調器節點，再由zigBee協調器節點通過RS232接口傳輸至Windows CE嵌入式網關的主程序進行解析處理，顯示在Windows CE界面系統上。
嵌入式網關主程序流程如圖6所示。
圖6 嵌入式網關主程序流程圖
3．3光照度ZigBee無線數據采集模塊程序流程設計
光照度傳感器節點循環周期性采集光照度傳感器數據，將采集得到數據和閥值進行大小比較。根據比較的結果得出控制命令，然后發送到協調器節點。若數據大于閥值(光照度偏暗)則向協調器無線發送命令字“1(開燈)”，否則向協調器無線發送命令字“O(滅燈)”，并將發送的命令字前加上一個字節長度的的編號，通過編號可以讓協調器分辨是哪個節點發送的數據。光照度數據采集模塊程序流程如圖7所示。
圖7 光照度數據采集模塊程序流程圖
3．4 ZigBee協調器節點程序流程設計
協調器節點接收無線數據，根據接收到的第一個字節編號判斷是哪個節點發送過來的數據。若是光照度傳感器節點發送的數據則轉發控制命令到ZigBee執行節點；若是ZigBee無線模塊執行節點發送過來的數據則分析出其地址并保存，留作向執行節點發送控制命令時使用。協調器節點程序流程如圖8所示。
圖8 協調器節點程序流程圖
3．5 ZigBee執行節點程序流程設計
ZigBee無線模塊執行節點循環周期性的向協調器節點發送數據。該數據是執行節點當前的控制狀態。另外，當協調器節點有數據發送到ZigBee執行節點時。執行節點直接根據接收到的命令字是0還是1改變自己的控制狀態。當接收到的是1則開燈。接收到的是0則關燈。從而完成光照度的調節控制。執行節點程序流程如圖9所示。
圖9 執行節點程序流程圖
4 測試實驗與分析
為了保證測控系統的正常可靠工作。對本系統進行運行試驗。實驗選擇在太倉農業科技園的蔬菜種植房內。實驗所處的室內光照度為1800。2000Lux。實驗目的。一方面驗證無線網絡的光照度數據采集以及數據傳輸能力。另一方面驗證設計的節點能否在復雜的環境下正常工作。經測試。系統數據傳輸準確可靠，數據丟失率為0，測量誤差不超過3％。這說明傳感器節點及執行節點在復雜環境里的監測和控制的數據較為精準。可以正常工作。
5 結束語
本文提出了一種基于ZigBee無線模塊的農業種植環境中的光照度監測與自動控制解決方案。設計了以WindoWs CE嵌人式平臺作為網關模塊。結合CC2530芯片為無線通信節點硬件結構。完成了嵌入式網關、光照度ZigBee無線數據采集和光照度控制的軟硬設計。運行試驗表明：基于ZigBee無線通信技術的光照度測控系統具有可靠性高、抗干擾性好、組網靈活等特點。能夠實現復雜環境下的光照度數據采集及自動控制。從而在有效保證農作物健康成長的前提下提高產量和增加收益。本系統只是實現了對環境光照度的監控，如果更換數據采集節點的傳感器和執行節點控制的設備。則該監控系統可以應用于不同的場合，具有廣泛的應用前景。