基于ARM和nRF905的智能农业系统的开发策略

　　0 引 言
　　我国是农业大国，作物收成及蔬菜等农作物的产量直接影响国民生活质量水平，亦关系到农产品价格[1]。作物生长过程中，温度及土壤湿度起着至关重要的作用。在苗木培育过程中，最值得考虑的问题就是，如何利用现代先进技术，改进农业的灌溉技术。合理的灌溉可以促进植物的健康生长，特别是对一些需水量特别大的植物。合理的灌溉，既可以促进植物的生长，增加苗木的产量，还可以节约日益紧缺的水资源。
　　随着物联网技术[2]的不断发展，越来越多的技术应用到农业生产中。目前，物联网技术逐步应用到了智慧农业建设中，提高了农业生产的管理效率，提升了农产品的附加值，加快了智慧农业的建设步伐。目前，利用RFID、无线数据通信等技术采集农业生产信息，以及时发现问题，准确地确定发生问题的位置，使农业生产自动化、智能化[3]，并可实现远程控制，这是当前智慧农业的发展方向。
　　本系统设计了一套无线农林数据采集控制装置。系统分为收发两部分，其核心都采用ARM LPC2378作为处理器，数据的无线收发通过射频模块nRF905实现。系统设计了友好人机交互界面，以便于工作人员随时监控数据，并对异常数据进行相应处理。
　　1 系统总体设计方案
　　系统由上位机和下位机两部分构成[4]。上位机由核心板和射频模块构成，通过射频模块nRF905采集农林环境监测数据，并将数据实时地通过LCD屏动态显示，以便人们进行监测，并根据具体环境数据进行控制[5]。
　　下位机系统包括四大部分：处理器单元，传感器单元，射频模块单元和执行模块单元。处理器单元为NXP LPC2378，传感器单元包括农林温度检测和土壤湿度检测；执行模块单元连接电磁阀，通过上位机的控制信号打开电磁阀，实现农林灌溉。下位机结构框图如图2所示。
　　温度传感器采用DS18B20，用于检测农业环境温度[6]；土壤湿度传感器采用YL?69，检测土壤相对湿度。系统每30 s循环采样一次，将采样数据通过射频模块发送出去。
　　上位机处于等待接收数据状态，如果射频模块检测到同频段射频信息，且发送地址和接收机地址一致，则射频模块会接收数据。一帧数据接受完毕后，CPU通过SPI总线读取数据，并处理数据，将数据信息实时地显示于人机交互界面LCD屏。
　　一旦上位机检测到环境数据有异常，则意味着当前环境不利于作物生长，上位机会给出相应的提示信息，提示事件处理。操作者通过LCD触摸屏给出控制信息，通过上位机的射频模块发出，下位机接收到这个控制信息，触发执行装置，执行相应的任务，来改善当前的农业环境。
　　2 系统设计
　　收发系统分别以ARM处理器LPC2378为核心，供电电源为3.3 V，射频模块通过SPI接口和核心板连接，实现收发数据和处理器的交互[7]。
　　2.1 nRF905简介
　　nRF905是单片射频发射芯片，可实现高速率的数据传输，工作速可达50 Kb/s，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；在开阔地带，传输距离可达300 m，具体距离视情况而定；接收灵敏度高，125个频道可满足多点通信和调频通信的需要；低功耗的工作方式，一般使用3.3 V电源供电，待机模式状态下电流仅为2.5 μA，收发模式可自由切换，转换时间<650 μs；芯片内置寄存器，可以软件设置地址，只有在接收到本机地址后，才会接收相应数据。
　　nRF905的工作模式有四种：掉电模式，SPI模式，发射和接收模式。模式的设置由其3个引脚决定，通过编程进行控制。其工作模式见表1。
　　表1 nRF905工作模式设置
　　
　　2.2 nRF905软硬件设置
　　nRF905模块[VCC]供电电压为3.3 V，其他引脚可以和5 V的I/O口直接相连，3 V左右的I/O口更加适用。本系统核心单元模块工作电压为3.3 V，因此，模块和核心板可以直接相连。SPI接口直接连接核心板SPI模块接口，控制引脚及信号检测引脚直接连接GPIO端口，nRF905接地引脚和模板逻辑地连接，[VCC]和母版上输出电压为3.3 V的接口直接相连，尽量简化电路。
　　通过配置nRF905内部寄存器，可以设定收发频段、本地地址、每帧数据长度和数据校验类型等。设置的数据通过SPI总线直接写入nRF905的配置寄存器。
　　nRF905的SPI总线的工作特点是片选低电平有效。在第一个SCK的上升沿开始读取数据，数据的采样在上升沿进行，输出在下降沿进行。数据的输出输入是高位在前，低位在后。在软件里，SPI的工作方式设定为0，高位在前。LPC2378 SPI模块的工作特点是作为主机，SPI通过MOSI向外部写数据的同时，会从MISO读取数据，主机的读写是一个函数。
　　Uint8 spiwriteread（uint8 data）
　　{
　　S0SPDR = data；
　　While（0==（S0SPSR &0X80））；
　　Return（S0SPDR）；
　　}
　　nRF905发送程序设计：
　　（1） 工作模式设定为SPI，写配置寄存器，写接收机地址，写发送数据。
　　（2） 把工作模式改为发送模式，发送地址及数据。
　　（3） 检测发送信号：数据发送完毕时，DR引脚会自动置高。通过判定DR引脚的电平状态判断数据是否发送完毕。
　　数据发送完毕之后，DR引脚会自动置高，通过等待语句‘while（DR==0）；’等待数据发送出去。当DR引脚置高之后，延时一段时间，引脚会自动变低。发送流程图如图3所示。
　　
　　图3 发送数据流程图
　　nRF905接收程序设计：
　　（1） 工作模式设定为SPI，写配置寄存器，写接收机地址。
　　（2） 等待接收数据。检测到同频段波段，CD自动置高；检测到地址相符，AM自动置高；接收完一帧数据，DR自动置高。
　　（3） 通过判定CD，AM，DR引脚的电平状态，判定数据是否接收完毕。
　　（4） 通过SPI总线将数据传送给主机。
　　接收数据流程图如图4所示。
　　写完配置信息后，nRF905会检测同频段的波段，发送及接收端都设置为433 MHz。检测到之后，CD引脚会自动置1。之后，会对比发送地址是否和本地地址一致，如果地址不一致 ，则不接收数据；如果地址一致，DR引脚会自动置1，而后把接收到的数据存储到数据寄存器中，接收完数据，DR引脚自动置1。程序通过判定此3引脚的状态来判断数据是否接收完毕，语句while（DR||CD||DR）用于等待这3个引脚全部置高，之后切换为SPI状态，主机读取所接收到的数据。适当延时之后，这3个引脚状态会自动变为低电平。
　　在设计软件的时候，需要注意状态之间切换的延时时间要大于650 μs。延时时间不够，可能无法接收到正确的数据。状态切换参看表1。
　　2.3 传感器装置的设置
　　下位机模块连接各种农林环境检测传感器，包括温度检测和土壤湿度检测。
　　LPC2378拥有丰富的内部资源及较多的外部接口，各传感器的运用技术成熟，电路连接简单。
　　系统中温度传感器采用DS18B20，DS18B20是常用的温度检测传感器，温度分辨率可达0.062 5；引脚有3个，[VCC，]GND以及数字输入端；供电电压为3～5 V。传感器3个引脚通过导线连接，[VCC，]GND和母板直接相连，数字输入端和GPIO端口直接连接。
　　土壤湿度传感器模块采用YL?69，其探头直接插入土壤中，通过土壤中水分含量的多少改变阻值，从而改变输入端电压值GND和母板直接连接，AD输入端与母板AD通道直接连接。LPC2378内部包含AD转换模块，每个模块都有8个AD 输入通道，所以不用外置AD转换模块，直接连接即可。电路连接简单方便，软件设计容易。
　　传感器模块设定每30 s循环检测一次，依次将检测到的数据通过射频发送出去。
　　2.4 执行装置的设置
　　执行模块的作用是驱动电磁阀，使继电器闭合[8]，从而实现自动灌溉控制。驱动电路如图5所示。
　　
　　图5 电磁阀驱动电路
　　其中，[T1]是电平交换，[T2]是功率驱动级，D1是并接在电磁阀线圈两段的阻尼二极管，用以防止驱动管[T2]击穿损坏。
　　通过GPIO输出高低电平，从而控制继电器的闭合[9]。
　　3 结 语
　　本系统实现了智能农业系统无线数据采集系统硬件设计的精简，减少了布线麻烦[10]。系统可根据检测到的土壤湿度状况控制灌溉。系统硬件设计采用低功耗设计，通过修改相关控制寄存器的参数使主控板处于低功耗模式，nRF905在空闲模式及SPI模式时处于省电状态，低功耗的设计使系统工作时间更长。数据采集系统的硬件装置和灌溉装置集于一体，很大程度上减少了硬件装置。通过对灌溉装置的正确选择，可以将系统用于蔬菜大棚灌溉、草坪灌溉、农田灌溉等多种场合，应用前景良好，具有一定的应用推广价值。
　　参考文献
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　　[4] 王艳芳，任胜杰，李智强.Profibus总线在智能温室监控系统中的应用[J].机床与液压，2010（4）：64?68.
　　[5] 王威，马俊，叶鹏.基于nRF905的温湿度无线监测系统设计与实现[J].电子测量技术，2013（10）：99?103.
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　　[7] 李萌，杨彬，陈维琨.基于ARM的嵌入式工业无线网关的设计[J].自动化仪表，2013（9）：29?32.
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　　[9] 张兆明.基于AT89S52单片机的自动温控电风扇设计[J].现代电子技术，2009，32（3）：108?110.