專(zhuān)利名稱(chēng)：基于wsn的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光合作用是植物能量合成的最重要生理過(guò)程，溫室由于受人為因素影響光照環(huán)境很難達(dá)到植物生長(zhǎng)要求。我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)在光照調(diào)控方面普遍存在調(diào)光方式不科學(xué)、設(shè)備簡(jiǎn)單低效等問(wèn)題，具體表現(xiàn)為利用人為經(jīng)驗(yàn)控制及有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸造成了調(diào)節(jié)誤差大，控制方式單一、部署及維護(hù)困難等不足；采用高壓鈉燈、金鹵燈等作為光源，造成了光譜不匹配，能耗大，光能率用率低等，嚴(yán)重影響了溫室作物經(jīng)濟(jì)效益。
發(fā)明內(nèi)容為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式，進(jìn)一步提高溫室作物經(jīng)濟(jì)效益，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平，降低管理成本。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是:一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，包括:主控節(jié)點(diǎn)，以第一處理器為核心，處理器接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的環(huán)境信息，通過(guò)連接的第一無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送；驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以第二處理器為核心，第二處理器通過(guò)連接的第二天線無(wú)線收發(fā)模塊接收主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)恼{(diào)光數(shù)據(jù)，第二處理器連接第一繼電器和第二繼電器；
LED執(zhí)行器，包括紅 光LED燈組和藍(lán)光LED燈組，所述第一繼電器通過(guò)紅光驅(qū)動(dòng)模塊接紅光LED燈組，所述第二繼電器通過(guò)藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊接藍(lán)光LED燈組；所述驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)LED執(zhí)行器，由主控節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感網(wǎng)。從而為用戶(hù)提供手動(dòng)控制、閾值控制、定時(shí)控制、定量控制等四種調(diào)光控制方式。所述第一處理器和第二處理器均為CC2530。所述數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器和光照傳感器。所述紅光驅(qū)動(dòng)模塊和藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊均為PT4115驅(qū)動(dòng)芯片。所述主控節(jié)點(diǎn)接有人機(jī)交互模塊，所述人機(jī)交互模塊用液晶顯示屏顯示，用復(fù)位按鍵作為設(shè)備按鍵，所述液晶顯示屏與第一處理器采用串行SPI方式進(jìn)行通信，設(shè)備按鍵電路利用或門(mén)和LM358運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用CC2530作為核心處理器，利用WSN技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)，以PT4115為L(zhǎng)ED調(diào)光驅(qū)動(dòng)芯片，為用戶(hù)提供手動(dòng)控制、閾值控制、定時(shí)控制、定量控制等四種調(diào)光控制方式，其中閾值控制方式可根據(jù)溫室溫度、紅藍(lán)光實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)及作物生長(zhǎng)目標(biāo)值計(jì)算作物實(shí)際調(diào)光量，實(shí)現(xiàn)按需精確調(diào)節(jié)；手動(dòng)控制方式為用戶(hù)提供LED全開(kāi)或全閉兩種工作狀態(tài)，即強(qiáng)制調(diào)光模式；定時(shí)控制根據(jù)用戶(hù)所設(shè)時(shí)間參數(shù)進(jìn)行控制；定量控制根據(jù)用戶(hù)所設(shè)LED燈組亮度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
圖1是本實(shí)用新型原理框圖。圖2是本實(shí)用新型主控節(jié)點(diǎn)電路原理框圖。圖3是本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)與LED執(zhí)行器電原理框圖。圖4是本實(shí)用新型主控節(jié)點(diǎn)軟件流程圖。圖5是本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的實(shí)施方式。如圖1所示，一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，包括主控節(jié)點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)以及LED執(zhí)行器，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)可連接多個(gè)LED執(zhí)行器，由主控節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感網(wǎng)，整體成星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有容量大、低成本、低功耗等特點(diǎn)，且相鄰兩個(gè)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳輸距離可達(dá)10 150m，完全滿足溫室內(nèi)無(wú)線調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。如圖2所示，主控節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)構(gòu)建及啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)選擇、當(dāng)前環(huán)境信息監(jiān)測(cè)、控制方式選擇、計(jì)算調(diào)光值、調(diào)光命令下發(fā)人機(jī)交互等功能。其以第一處理器為核心，處理器連接數(shù)據(jù)采集模塊、第一無(wú)線收發(fā)模塊、電源模塊、人機(jī)交互模塊以及時(shí)鐘模塊。數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器和光照傳感器，為系統(tǒng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。其中第一處理器選用CC2530，內(nèi)含高性能低功耗8051微控制器，工作電壓3.3V，外設(shè)21個(gè)I/O 口，其中Pl.0接入系統(tǒng)正常工作信號(hào)LED指示燈；P0.1接入手動(dòng)按鈕；人機(jī)交互模塊電路為液晶分別與 P0.0、Pl.2、Pl.5、Pl.6 連接，按鍵與 P0.6、P2.0 口連接；P0.2、P0.4、P0.5 與時(shí)鐘芯片DS1302相連；P1.4 口與溫度傳感器連接，Pl.1、Pl.3 口與光照傳感器相連，具體電路根據(jù)CC2530芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，降低了開(kāi)發(fā)難度。第一無(wú)線收發(fā)模塊是通過(guò)執(zhí)行電路將天線連接在CC2530上實(shí)現(xiàn)，電源模塊采用5V適配器為主控節(jié)點(diǎn)供電，電源輸入后，經(jīng)過(guò)降壓芯片ASM-1117的典型電路為系統(tǒng)提供3.3V直流電壓，時(shí)鐘模塊根據(jù)DS1302芯片手冊(cè)中典型電路設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間設(shè)制以及定時(shí)控制功能。人機(jī)交互模塊用液晶顯示屏DB12864-16C顯示，用復(fù)位按鍵作為設(shè)備按鍵，在滿足系統(tǒng)工作要求的條件下，為節(jié)省I/O 口使用，所述液晶顯示屏與第一處理器采用串行SPI方式進(jìn)行通信，設(shè)備按鍵電路利用或門(mén)和LM358運(yùn)放實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為滿足系統(tǒng)后期擴(kuò)展需求，將剩余I/O 口作為備用擴(kuò)展口使用，以提高系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用及二次開(kāi)發(fā)能力。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)和LED執(zhí)行器共同構(gòu)成了調(diào)光執(zhí)行部分，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)以第二處理器為核心，第二處理器接第二天線無(wú)線收發(fā)模塊、第一繼電器和第二繼電器；LED執(zhí)行器包括紅光LED燈組和藍(lán)光LED燈組，第一繼電器通過(guò)紅光驅(qū)動(dòng)模塊接紅光LED燈組，第二繼電器通過(guò)藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊接藍(lán)光LED燈組。驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)屬于精簡(jiǎn)功能設(shè)備，只完成調(diào)光控制命令接收與信號(hào)輸出功能，可減少外圍電路設(shè)計(jì)，降低智能調(diào)光系統(tǒng)的成本。具體電路中，第二處理器為CC2530，P1.0連接紅光驅(qū)動(dòng)模塊，Pl.1連接藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊，Pl.5連接第一繼電器，Pl.6連接第二繼電器。LED執(zhí)行器由24V電源供電，紅光驅(qū)動(dòng)模塊和藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊選擇PT4115驅(qū)動(dòng)芯片，其是一款連續(xù)電感電流導(dǎo)通模 式的降壓恒流源，可用于驅(qū)動(dòng)一顆或多顆LED串聯(lián)。LED燈組根據(jù)植物生長(zhǎng)所需光環(huán)境由若干紅、藍(lán)光LED按比例組成?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)軟件主要包括節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸和節(jié)點(diǎn)功能軟件兩個(gè)部分。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程首先通過(guò)主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信道掃描，選擇合適的信道組建網(wǎng)絡(luò)。在IEEEE802.15.4協(xié)議中，將2.4G頻段劃分16個(gè)信道，編號(hào)為11_26，本系統(tǒng)選擇默認(rèn)值11信道，構(gòu)建成功后，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)以直接方式加入網(wǎng)絡(luò)，即驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為主控節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，由主控節(jié)點(diǎn)向驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送作為其子設(shè)備命令。主控節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中起協(xié)調(diào)器作用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。為確保系統(tǒng)安全可靠工作，系統(tǒng)采用分布式分配機(jī)制為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配自己的地址，主控節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)以后使用0x0000作為自己的短地址，在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)加入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，由主控設(shè)備隨機(jī)分配一個(gè)不重復(fù)的16位短地址作為自己唯一的地址來(lái)進(jìn)行通訊。主控節(jié)點(diǎn)控制軟件包括兩類(lèi)傳感器解析函數(shù)、計(jì)算決策程序、參數(shù)設(shè)定程序、液晶顯示程序、時(shí)鐘程序等子程序；驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為終端節(jié)點(diǎn)，在完成調(diào)光控制命令接收后，將控制信號(hào)輸出給繼電器和驅(qū)動(dòng)電路，LED執(zhí)行器根據(jù)調(diào)光控制命令實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)紅藍(lán)光LED燈組狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)溫室光環(huán)境的多種方式以及無(wú)線控制。如圖4所示，主控節(jié)點(diǎn)軟件流程如下:開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢查是否保存已有網(wǎng)絡(luò)，若系統(tǒng)保存已有網(wǎng)絡(luò)則還原網(wǎng)絡(luò)，若未保存已有網(wǎng)絡(luò)則檢測(cè)是否已存在網(wǎng)絡(luò)，若已存在網(wǎng)絡(luò)則進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)ID+1，完成組網(wǎng)，若沒(méi)有已存在網(wǎng)絡(luò)則進(jìn)行特定信道特定網(wǎng)絡(luò)的掃描并完成組網(wǎng)，組網(wǎng)時(shí)主控節(jié)點(diǎn)允許其他節(jié)點(diǎn)加入，組網(wǎng)完成后選擇調(diào)光控制方式，確定控制方式并進(jìn)行控制決策計(jì)算處理，最后完成調(diào)光控制命令無(wú)線發(fā)送。如圖5所示，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)軟件流程如下:驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后， 首先進(jìn)行初始化，完成后檢查是否保存已有網(wǎng)絡(luò)，若保存已有網(wǎng)絡(luò)則還原網(wǎng)絡(luò)，若沒(méi)有保存已有網(wǎng)絡(luò)則掃描已存在的網(wǎng)絡(luò)同時(shí)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，加入網(wǎng)絡(luò)成功后，驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的調(diào)光控制命令并根據(jù)調(diào)光命令輸出LED燈組控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)后開(kāi)始休眠，若休眠時(shí)間到則重新接收主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的調(diào)光命令，若休眠時(shí)間未到則繼續(xù)輸出原有的控制信號(hào)。本系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、定時(shí)控制、閾值控制以及定量控制等四種控制方式，其中閾值控制是根據(jù)用戶(hù)設(shè)置的環(huán)境閾值進(jìn)行調(diào)光，若檢測(cè)溫室環(huán)境溫度、紅藍(lán)光光強(qiáng)均在閾值范圍內(nèi)則根據(jù)所設(shè)紅藍(lán)光光強(qiáng)閾值與溫室環(huán)境實(shí)際紅藍(lán)光光強(qiáng)差值精確調(diào)節(jié)LED燈組輸出亮度；手動(dòng)控制是根據(jù)用戶(hù)需求將LED燈組強(qiáng)制全開(kāi)或全關(guān)；定時(shí)控制是根據(jù)需要對(duì)LED燈組開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制；定量控制是按照用戶(hù)需求設(shè)置LED燈組的實(shí)際輸出亮度。針對(duì)本系統(tǒng)的試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制、定時(shí)控制、閾值控制以及定量控制等多種控制方式調(diào)光，且所有控制命令均可采用無(wú)線傳輸方式進(jìn)行準(zhǔn)確傳輸。其中在閾值控制方式下，主控節(jié)點(diǎn)可完成溫室實(shí)時(shí)溫度、紅藍(lán)光光強(qiáng)等環(huán)境因子檢測(cè)，并基于光合作用機(jī)理精確決策溫室作物實(shí)際需光量；驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)可穩(wěn)定接收實(shí)際調(diào)光數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)確輸出給驅(qū)動(dòng)電路和繼電器，LED執(zhí)行器可根據(jù)控制命令準(zhǔn)確調(diào)節(jié)LED燈組輸出狀態(tài)。綜上，本實(shí)用新型可通過(guò)用戶(hù)實(shí)際需求選擇多種控制方式對(duì)溫室作物光環(huán)境進(jìn)行無(wú)線調(diào)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(jù)溫室溫度、紅藍(lán)光光強(qiáng)等環(huán)境因子精確計(jì)算作物實(shí)際需光量，實(shí)現(xiàn)了溫室光環(huán)境的實(shí)時(shí)按需調(diào)節(jié)。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)合溫室實(shí)際生產(chǎn)條件，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)傳輸調(diào)光命令，有效降低了系統(tǒng)部署難度與維護(hù)成本；采用新一代LED光源，減少了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源。經(jīng)過(guò)實(shí)際部署和運(yùn)行證明，系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確·性高、部署簡(jiǎn)單、能耗少等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求1.一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng),其特征在于,包括: 主控節(jié)點(diǎn)，以第一處理器為核心，處理器接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的環(huán)境信息，通過(guò)連接的第一無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送； 驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以第二處理器為核心，第二處理器通過(guò)連接的第二天線無(wú)線收發(fā)模塊接收主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)恼{(diào)光數(shù)據(jù)，第二處理器連接第一繼電器和第二繼電器； LED執(zhí)行器，包括紅光LED燈組和藍(lán)光LED燈組，所述第一繼電器通過(guò)紅光驅(qū)動(dòng)模塊接紅光LED燈組，所述第二繼電器通過(guò)藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊接藍(lán)光LED燈組； 所述驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)LED執(zhí)行器，由主控節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，其特征在于，所述第一處理器和第二處理器均為CC2530。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括溫濕度傳感器和光照傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，其特征在于，所述紅光驅(qū)動(dòng)模塊和藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊均為PT4115驅(qū)動(dòng)芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，其特征在于，所述主控節(jié)點(diǎn)接有人機(jī)交互模塊，所述人機(jī)交互模塊用液晶顯示屏顯示，用復(fù)位按鍵作為設(shè)備按鍵，所述液晶顯示屏與第一處理器采用串行SPI方式進(jìn)行通信，設(shè)備按鍵電路利用或門(mén)和LM358運(yùn)放實(shí)現(xiàn)?！?br> 專(zhuān)利摘要一種基于WSN的設(shè)施農(nóng)業(yè)調(diào)光系統(tǒng)，包括主控節(jié)點(diǎn)，以第一處理器為核心，處理器接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的環(huán)境信息，通過(guò)連接的第一無(wú)線收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線發(fā)送；驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以第二處理器為核心，第二處理器通過(guò)連接的第二天線無(wú)線收發(fā)模塊接收主控節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)恼{(diào)光數(shù)據(jù)，第二處理器連接第一繼電器和第二繼電器；LED執(zhí)行器，包括紅光LED燈組和藍(lán)光LED燈組，第一繼電器通過(guò)紅光驅(qū)動(dòng)模塊接紅光LED燈組，第二繼電器通過(guò)藍(lán)光驅(qū)動(dòng)模塊接藍(lán)光LED燈組；所述驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接多個(gè)LED執(zhí)行器，由主控節(jié)點(diǎn)建立無(wú)線傳感網(wǎng)，本實(shí)用新型滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)需求，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)多種控制方式，進(jìn)一步提高溫室作物經(jīng)濟(jì)效益，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理水平。
文檔編號(hào)H04W84/18GK203136287SQ201320150029
公開(kāi)日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者胡瑾, 張海輝, 樊宏攀, 周慶珍, 劉翔, 劉正道, 喬俊楓, 曹學(xué)軍, 梁巖, 賈金陽(yáng) 申請(qǐng)人:西北農(nóng)林科技大學(xué)