基于nRF2401的藏區(qū)蔬菜大棚管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

邊巴旺堆，代 森，張巧玲，益西拉姆

（西藏大學 工學院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

自從上世紀90年代以來，西藏開始逐步推廣蔬菜大棚技術，極好地滿足了西藏地區(qū)對蔬菜產(chǎn)品的需求?，F(xiàn)階段，西藏的蔬菜大棚產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已有很大規(guī)模，生產(chǎn)的蔬菜也已能實現(xiàn)自給。從全國范圍內(nèi)來看，蔬菜大棚的智能化管理方案并不多，進行實際推廣使用的幾乎沒有。作為對蔬菜大棚智能化管理方式的探索，文中結合西藏的區(qū)域特點和語言習慣，實現(xiàn)了藏區(qū)智能蔬菜大棚管理系統(tǒng)的設計。本項目運用nRF2401無線通信技術實現(xiàn)蔬菜大棚現(xiàn)場和后臺管理中心的通信，現(xiàn)場和后臺都使用SPCE061A單片機作為主控芯片；蔬菜大棚現(xiàn)場通過61單片機控制片內(nèi)高速AD對二氧化碳傳感器、光照強度傳感器等進行采樣；采樣的數(shù)據(jù)將通過nRF2401傳遞到后臺接收；后臺中心將接收到的采樣數(shù)據(jù)在LCD上進行藏漢雙語實時顯示；當現(xiàn)場各指標有一個超過預先設置的適宜標準時，SPCE061A就會啟動語音報警裝置進行語音警報，提醒農(nóng)戶采取相應處理措施。通過實際調(diào)研測試，本項目設計的藏區(qū)智能蔬菜大棚管理系統(tǒng)在藏區(qū)蔬菜大棚管理中使用靈敏方便、人性化，具有良好的市場應用前景。通過升級改造，可以在全國范圍內(nèi)推廣使用該系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)硬件設計

文中設計的硬件包括兩部分：前臺監(jiān)測和后臺管理。前臺監(jiān)測由SPCE061A單片機、各種傳感器模組組成，負責對現(xiàn)場影響大棚蔬菜生長的環(huán)境指標進行測量；后臺管理含有SPCE061A微處理器、LCD液晶顯示電路、語音警報電路等，實時顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)并適時語音提示，讓用戶在室內(nèi)即能知道蔬菜大棚的生長環(huán)境狀況。兩者通過nRF2401無線模塊進行數(shù)據(jù)通信。其硬件整體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.1 Structure diagram of system hardware

1.1.1 使用nRF2401無線模組

nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片[3]，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，多種低功率工作模式，使得節(jié)能設計更方便。

本項目所用的nRF2401芯片為凌陽nRF2401A模組，芯片及其外圍電路如圖2所示，包括nRF2401A芯片部分、穩(wěn)壓部分、晶振部分、天線部分。電壓VDD經(jīng)電容C1、C2、C3處理后為芯片提供工作電壓；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允許值為：4 MHz、8 MHz、12 MHz、16 MHz。 天線部分包括電感 L1、L2， 用來將 nRF2401A芯片 ANT1、ANT2管腳產(chǎn)生的2.4 G電平信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉(zhuǎn)換為電平信號輸入芯片的ANT1、ANT2管腳。

圖2 nRF2401A芯片及其外圍電路Fig.2 Diagram of nRF2401 chip and its peripheral circuit

本項目中前臺監(jiān)測nRF2401A發(fā)送端，使用SPCE061A的IOB0～IOB5與之進行通信；接收端則使用SPCE061A的IOA0～IOA5與之進行通信。在nRF2401A初始化過程中，本項目選擇通道一作為通信道路，將通信的波特率設為250 kbps，晶振頻率選為16 MHz，發(fā)射功率選為0 dBm，收發(fā)頻率選擇為 2.44 GHz， 接收地址選擇為：0x00，0x00，0x01，0xff，接收數(shù)據(jù)寬度為5 Byte，這些設置都為通信的順暢進行提供了良好的保證。

1.1.2 使用SPCE061A微處理器

SPCE061A是凌陽科技公司推出的一款16位微處理器[4]，其CPU工作電壓為 3.0～3.6 V，I/O接口電壓 VDDH為3.0～5.5 V；CPU 時鐘頻率為 0.32～49.152 MHz；內(nèi)置 2 k字 SRAM和32 k字FLASH；具有2個16位可編程定時器/計數(shù)器；8個10位ADC輸入通道，可以對各種模擬信號進行方便處理；32個通用I/O端口，可以擴展多種外設模塊；能夠進行可編程音頻處理；較高的處理速度使SPCE061A能夠非常容易、快速地處理復雜的數(shù)字信號。SPCE061A的芯片引腳如圖3所示。

圖3 SPCE061A引腳圖Fig.3 The diagram of SPCE061A pins

本項目中，利用SPCE061A作為主控芯片，在前臺監(jiān)測部分，使用SPCE061A內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換通道，通過IOA0～IOA3對溫度傳感器、光強傳感器等進行數(shù)據(jù)采樣處理，采樣靈敏，使用方便。在后臺管理中心，利用SPCE061A控制LCD液晶顯示，以及語音警報提示。由于SPCE061A本身具有一個10位ADC MIC-IN輸入通道，內(nèi)置麥克風放大器和自動增益功能，可以對語音信號進行很方便的處理。

圖4 SPLC501接線電路Fig.4 The SPLC501 wiring circuit

1.1.3 使用SPLC501液晶顯示器

本項目中LCD液晶顯示器采用凌陽SPLC501液晶模組[5]，該模組廣泛用于小規(guī)模液晶顯示器件，采用SPLC501A芯片作為其控制驅(qū)動器，集行、列驅(qū)動器和控制器于一體。其內(nèi)置8580位顯示RAM；晶振本身內(nèi)置，也可以外接；為128*64點陣顯示。單片機對SPLC501可以有2種訪問方式：直接訪問與間接訪問。為簡化程序，這里采用直接訪問方式，微處理器可將顯示數(shù)據(jù)通過8位數(shù)據(jù)總線或者串行接口寫到SPLC501的顯存中。圖4是SPLC501模組的接線電路。

1.1.4 溫度及光強傳感器電路

溫度/光線檢測模塊電路[6]如圖5所示，電源電壓經(jīng)穩(wěn)壓管TL431穩(wěn)壓到2.5 V，提供給由R8和熱敏電阻R9組成的分壓電路以及R10和光敏電阻R11組成的分壓電路，熱敏電阻R9分得的電壓通過TO輸出，光敏電阻R11分得的電壓通過LO輸出?？梢灾苯影裇PCE061A單片機ADC的任一通道與TO或LO連接，利用單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，并計算出對應的溫度和光線強度。

圖5 溫度及光強傳感器電路圖Fig.5 Circuit diagram of temperature and light intensity sensors

1.2 系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

本項目主程序設計包括兩部分：前臺監(jiān)測主程序和后臺管理主程序，主要實現(xiàn)了nRF2401無線通信的相關功能、AD采樣函數(shù)的調(diào)用、LCD液晶顯示函數(shù)的調(diào)用等。主程序流程框圖如圖6所示，子函數(shù)功能說明如表1所示。

圖6 主程序流程框圖Fig.6 Flow chart of main program

表1 子函數(shù)功能說明Tab.1 Function explanation of sub-function

1.2.2 光線測量子程序

2 整體測試結果

本項目順利完成，最終效果與設計要求誤差不大。整體測試結果如圖7，系統(tǒng)成品圖如圖8（未作硬件裁剪）。

圖7 測試結果的藏文界面LCD顯示Fig.7 Tibetan LCD display of test result

圖8 系統(tǒng)樣品圖Fig.8 Diagram of the system model product

3 結束語

文中運用nRF2401無線通信技術，結合SPCE061A單片機、溫度傳感器、二氧化碳傳感器、LCD液晶顯示器等實現(xiàn)了具有藏式特色的智能化蔬菜大棚管理系統(tǒng)。本文采用的nRF2401A芯片體積小，能耗低，通信距離可達幾百米，可直接與單片機連接，使用非常方便。加之本項目中藏文人機交互界面和藏語語音提示等功能的添加，充分考慮到了藏區(qū)的語言特點。因此本項目在藏區(qū)蔬菜大棚的智能化管理中將有很好的市場價值和應用前景。

[1]李慶山，戴曙光，穆平安.nRF2401無線模塊在測控系統(tǒng)中的應用[J].電測與儀表，2006（8）：58-59.

LI Qing-shan，DAI Shu-guang，MU Ping-an.The application of nRF2401 in test system[J].Electric Measurement&Instrumentation，2006（8）：58-59.

[2]羅亞非.凌陽16位單片機應用基礎[M].北京：北京航天航空大學出版社，2005.

[3]黃智偉.單片無線發(fā)射與接收電路設計[M].西安：西安電子科大學出版社，2009.

[4]張毅剛.單片機原理及應用[M].2版.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2008.

[5]黃子強.液晶顯示原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[6]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.