溫室中無線執(zhí)行器節(jié)點的設(shè)計

0 引言

溫室監(jiān)控系統(tǒng)建立的最終目的是為了獲取溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控溫室的正常運行，并通過分析數(shù)據(jù)得到作物生長與環(huán)境變化的規(guī)律。傳統(tǒng)的多點環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)一般都是通過有線通信(如RS-485 總線)的方式把環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心的。有線通信的一個無法回避的問題是需要布線，它使系統(tǒng)的設(shè)計、安裝及維護等的復(fù)雜度大幅提高，同時使系統(tǒng)的成本也大大增加，而且如果某一節(jié)點損壞有可能導(dǎo)致整個通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。由于溫室大棚占地面積大，采用傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)除了通信設(shè)備之間的物理線路連接還需要供電線路的支持。而采用無線技術(shù)后，系統(tǒng)精簡了通信和供電線路的鋪設(shè)，方便了系統(tǒng)的維護和擴展，對提高溫室的生產(chǎn)管理水平具有重要的意義。對于本設(shè)計而言，采用無線通信技術(shù)可以有效的解決采用有線通信所存在的問題，而且具有成本更低、不需要布線、可以任意增加或減少測量節(jié)點、維護方便等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成及工作過程

無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)由無線測量節(jié)點與執(zhí)行器節(jié)點、匯聚節(jié)點和后臺管理系統(tǒng)三層組成，如圖1 所示。測量節(jié)點采集數(shù)據(jù)并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給后臺管理系統(tǒng)。測量節(jié)點由51 兼容的射頻SoC 芯片nRF9E5 來實現(xiàn);執(zhí)行器節(jié)點采用基于ARM®CortexTM-M3 的微控制器LMS3S1968 和無線收發(fā)器nRF905 組成;匯聚節(jié)點采用處理能力更強的ARM9 和無線收發(fā)器nRF905 組成。

溫室中，大量的測量節(jié)點采用分散布撒的方式擺放于溫室中，負(fù)責(zé)采集監(jiān)控區(qū)域的環(huán)境信息，并通過多跳的傳輸方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點既負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集上傳，又系統(tǒng)中各個節(jié)點發(fā)送控制命令，還要通過Internet 網(wǎng)絡(luò)與后臺管理系統(tǒng)進行通信，由后臺管理系統(tǒng)控制溫室的環(huán)境參數(shù)和傳感器節(jié)點的管理。各個溫室內(nèi)的節(jié)點相互獨立，某個溫室中的某個節(jié)點出現(xiàn)故障不會影響到其他節(jié)點的正常工作。

2 主要器件介紹

2.1 基于ARM Cortex-M3 的LM3S1968 微控制器

LM3S1968是Texas Instruments 公司生產(chǎn)的Stellaris®系列、基于ARM®Cortex™-M3的微控制器。該Stellaris®系列芯片能夠提供高效的性能、廣泛的集成功能以及按照要求定位的選擇，適用于各種關(guān)注成本并明確要求具有的過程控制以及連接能力的應(yīng)用方案。

LM3S1968 微控制器是針對工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計的，包括遠程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C、測試和測量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機、工廠自動化、HVAC 和建筑控制、游戲設(shè)備、運動控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。其主要特性有32 位RISC 性能、采用與Thumb®兼容的Thumb-2 指令集以獲取更高的代碼密度、高達256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM、4 個通用定時器模塊、2 個SSI 模塊、2 個I2C 模塊、采樣速率為1000000 次/秒的8通道10 位A/D 轉(zhuǎn)換、3 個獨立集成的模擬比較、3 個 PWM 發(fā)生器模塊、2 個QEI 模塊、多達52 個GPIO、片內(nèi)低壓差穩(wěn)壓器等。

2.2 無線收發(fā)芯片nRF905

nRF905是挪威Nordic 公司的產(chǎn)品，是真正的單片無線射頻收發(fā)器，工作在433/ 868/915MHz 的ISM 頻段。它由頻率合成器、功率合成器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，外圍元件少，不用外加聲表面振蕩器，天線可采用PBC 環(huán)形天線或單端鞭狀天線，發(fā)射功率最大為10dBm，接收靈敏度為-100dBm。

nRF905 采用Nordic 公司的VLSI ShockBurst 技術(shù)。ShockBurst 技術(shù)使nRF905 能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而不需要昂貴的高速MCU 來進行數(shù)據(jù)處理/時鐘覆蓋。通過將與RF 協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi)，nRF905 提供給應(yīng)用的微控制器一個SPI 接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。在ShockBurst RX 模式下，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)就緒(DR)信號通知MCU 一個有效地地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成。在ShockBurst TX 模式下，nRF905 自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC 校驗碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號通知MCU 數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。總之，這意味著降低MCU 的存儲器需求也就是降低MCU 成本，同時又縮短軟件開發(fā)時間。

nRF905 有兩種活動(RX/TX)模式和兩種節(jié)電模式?；顒幽Ｊ綖镾hockBurst RX 和ShockBurst TX。節(jié)電模式為掉電和SPI 編程、Standby 和SPI 編程。nRF90 工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP 的設(shè)置來設(shè)置，如表1 所示。

3 無線執(zhí)行器節(jié)點結(jié)構(gòu)與設(shè)計

溫室環(huán)境參數(shù)的控制是由后臺管理系統(tǒng)通過 Internet 發(fā)送控制命令到匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點通過多跳傳輸?shù)綗o線執(zhí)行器節(jié)點，由無線執(zhí)行器節(jié)點根據(jù)控制命令來控制相應(yīng)的控制對象。無線執(zhí)行器節(jié)點主要有LM3S1968 微控制器、光照強度控制、通風(fēng)控制、溫度控制、灑水控制、CO2 濃度控制、施肥控制和nRF905 無線收發(fā)等模塊，如圖2 所示。

3.1 LM3S1968 與nRF905 的電路設(shè)計

LM3S1968 提供了兼容SPI 的2 個SSI 接口，故可以將LM3S1968 中的一個SSI 接口設(shè)置成SPI 接口形式，從而方便與nRF905 進行數(shù)據(jù)傳輸。除了SPI 接口與LM3S1968 連接外，nRF905 還有一些引腳需要與LM3S1968 連接，這些引腳是：TX_EN 引腳為TX 和RX 模式選擇、TRX_CE 引腳為使能芯片發(fā)射或接收、PWR_UP 引腳為芯片上電、uPCLK 引腳為由晶體振蕩器分頻的輸出時鐘、CD 引腳為載波檢測、AM 引腳為地址匹配、DR 引腳為接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成，它們分別與LM3S1968 的引腳PE3、PE2、PE1、PE0、PF5、PF7 和PG6連接，如圖3 所示。其中，在nF905 工作前，由LM3S1968 通過引腳PE1 發(fā)出高電平信號給nF905 上電，之后通過PE2 和PE3 發(fā)出TRX_CE 和TX_EN 信號來確定nF905 的工作模式。LM3S1968 通過PF5、PF7 和PG6 來接收nF905 的狀態(tài)信號，從而LM3S1968 確定后續(xù)工作。

3.2 軟件設(shè)計

(1)μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，節(jié)點構(gòu)成的變化是巨大的。因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上的嵌入式操作系統(tǒng)必須具備好的移植性。與通用的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有如下一些特征：小巧、實時性、可裁減性、固化代碼、穩(wěn)定性。針對不同的處理器類型，存儲器容量和實時性需求，有不同的嵌入式操作系統(tǒng)。UCB 為Mica 系列傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)了一套微型的操作系統(tǒng)TinyOS;清華大學(xué)也開發(fā)出了一種靈活的低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 FLOWS，它的單片機采用TI 公司的MSP430，移植了uC/OS-II 操作系統(tǒng)，無線傳輸芯片采用NRF905。

μC/OS-II 是一個簡單、高效的源碼公開的嵌入式實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。其大多數(shù)函數(shù)調(diào)用和服務(wù)的執(zhí)行時間具有可確定性;具有可搶占的實時多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)功能，而且提供了用于任務(wù)間同步、互斥、通信的系統(tǒng)服務(wù)。這些功能可以根據(jù)不同需求進行裁減，它的最小化內(nèi)核能編譯到2 KB，目前已經(jīng)被移植到x86、ARM、PowerPC、MIPS 等眾多體系結(jié)構(gòu)上。基于短小精悍、可移植性強的特點，μC/OS-II 很適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點芯片。相比較于TinyOS，uC/OS-II 提供了更加完善的任務(wù)調(diào)度和任務(wù)通信機制，并且采用標(biāo)準(zhǔn)的C 語言設(shè)計，從而可以更加方便的移植與調(diào)試。

(2)μC/OS-II 在LM3S1968 上的移植

LM3S1968 片上具有高達256KB 的單周期Flash 和64KB 的單周期SRAM，因此，不需要外擴存儲器就可以滿足μC/OS-II 代碼對容量的要求。

μC/OS-II 在LM3S1968 上的移植，由用戶層、中間件層、μC/OS-II 源碼層、μC/OS-II移植層和驅(qū)動庫層等五個層次組成。

①用戶層的User 目錄存放用戶代碼與設(shè)置。其中Main.C 文件是用戶編寫任務(wù)的地方，如通風(fēng)控制、光照強度控制等任務(wù);Main.H 定義任務(wù)的堆棧大小、優(yōu)先級等。OS_CFG.H是μC/OS-II 的配置文件，用戶可根據(jù)需要修改其內(nèi)容。Includes.H 是總的頭文件，除μC/OS-II的源碼外，所有“.C”的文件都包含它，這樣用戶所需的頭文件和其它聲明只需在Includes.H中聲明一次就行了。

②中間件層的Middleware 目錄存放用戶自己編寫的中間件，如Uart0.C、Uart0.H 串口通信中間件等。

③μC/OS-II 源碼層的μC/OS-II Source 目錄存放μC/OS-II 的源代碼(除uCOS_II.C 外的全部“.C”和“.H”的文件)。用戶只要把源碼復(fù)制到此目錄，不需對源碼作任何的修改。

④μC/OS-II 移植層的μC/OS-II Ports 目錄存放μC/OS-II 基于LM3S1968 的移植代碼，包括OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM 和OS_CPU.H 等三個必要的文件，用戶應(yīng)根據(jù)處理器來改寫這三個文件，使之能夠移植到相應(yīng)的處理器上。Target 目錄中的Startup 文件是LM3S1968 的啟動代碼和中斷向量表，用戶要在其中加入需要的中斷服務(wù)函數(shù)的首地址;Target.C 和Target.H 提供LM3S1968 初始化函數(shù)targetInit()和其它外設(shè)控制函數(shù)。

⑤驅(qū)動庫層是直接面向硬件目標(biāo)板的層。一般來說，除μC/OS-II 外，其它代碼都要直接或間接通過它訪問硬件。

3.3 后臺管理系統(tǒng)、匯聚節(jié)點及節(jié)點間的通信

后臺管理系統(tǒng)與節(jié)點的通信途徑為：后臺管理系統(tǒng)←→Internet←→匯聚節(jié)點←→測量節(jié)點或執(zhí)行器節(jié)點。后臺管理系統(tǒng)以IP 數(shù)據(jù)包形式通過Internet 傳送到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)包括目標(biāo)節(jié)點編號、控制命令。測量節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點采取統(tǒng)一編號方式，控制命令為要求測量節(jié)點上傳采樣數(shù)據(jù)，或要求執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行命令要求的動作(即控制設(shè)備的啟動或停止)或要求執(zhí)行器節(jié)點上傳該節(jié)點控制設(shè)備的運行狀態(tài)。

匯聚節(jié)點與測量節(jié)點/執(zhí)行器節(jié)點之間采用多跳路由的通信方式，由于監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點眾多，采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式有利于節(jié)點間的通信，數(shù)據(jù)格式如下：

其中，Preamble 為引導(dǎo)字節(jié)，BroAddr 為廣播地址(為0xFF)，F(xiàn)inal-No 為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)節(jié)點編號，Middle-No 為中間節(jié)點編號，Source-No 為提供數(shù)據(jù)的源節(jié)點編號，CtrlData為控制命令，Data 1…Data n 為需發(fā)送或接收的有效數(shù)據(jù)，CRC 為校驗碼。

nRF905 處于發(fā)射模式時，Preamble 和CRC 由nRF905 自動加載，BroAddr 和中間所有數(shù)據(jù)由微控制器按順序送入射頻模塊 nRF905。接收模式時，nRF905 先接收一數(shù)據(jù)包，分別驗證Preamble、BroAddr 和CRC 正確后，再將所有數(shù)據(jù)送入微控制器處理，由軟件比較地址，進行相應(yīng)處理。

4 結(jié)語

本設(shè)計基于無線通信技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)，，采用基于ARM® Cortex™-M3 的LMS3S1968 微控制器和無線收發(fā)芯片nRF905 設(shè)計了無線執(zhí)行器節(jié)點。系統(tǒng)集成度高、性能穩(wěn)定、可靠性高、實用性強。溫室監(jiān)控系統(tǒng)由后臺終端根據(jù)測量節(jié)點的測得數(shù)據(jù)進行決策，以此控制執(zhí)行器節(jié)點執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)可以比較方便的擴展通信節(jié)點容量，實現(xiàn)較大區(qū)域的溫濕度及光照度的監(jiān)控?？梢杂糜谵r(nóng)業(yè)溫室等對溫濕度和光照度控制要求比較嚴(yán)格的行業(yè)。