一种农业物联网无线通信控制器的设计.docx

?

?

一种农业物联网无线通信控制器的设计

?

?

孟成伟李湘球彭君王小风

摘要：本文设计了一种基于ZigBee技术的农业物联网无线通信控制器。选用以无线通信ZigBee技术的CC2530芯片作为控制器的主控芯片，针对农业生产上对控制的特殊要求，从软硬件进行了详细的设计和说明。

关键词：农业物联网;无线通信;控制器;ZigBee;分布式控制

一、概述

农业物联网应用中有大量设备需要控制，如：卷膜器、风机、水泵和遮阳棚等等。这些设备数量多价格低廉且传输信息的数据量小、数据传输速率要求不高。针对这一特点设计了一种农业物联网控制器，可与网关一起组成一个分布式控制的系统，以低成本高可靠性满足农业生产的需求。

二、通信技术及主控芯片的选择

（一）通信技术的选择

ZigBee技术具有自组织、低成本、低功耗、网络节点多等特点，可以充分地在应用在大面积农业监控系统当中。ZigBee网络最多可以支持65535个节点，具体应用节点数视温室面积而定，每个节点之间通信距离最大可以达到100m。同时250kbps的传输速率完全可以满足数据传输的需要。农业物联网系统传输的数据量小，传输速率要求较低，传输距离不大，并且对低成本、低功耗有一定要求，所以采用ZigBee技术方案是一个很好的选择。

（二）主控芯片的选择

CC2530是TI公司必威体育精装版推出的新一代ZigBee标准芯片。该芯片体积小巧，采用6mm×6mm的QFN40封装，内部集成了存储、加密、无线收发等多种功能，性能非常可靠。德州仪器业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）配备使用CC2530，解决了传统无线模块容易丢数据或模块数量多时容易受到干扰等问题，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。CC2530芯片总成本低，能够建立强大的网络节点，其内部集成了工业标准增强型8051微控制器内核，具有8KBRAM，256KB可编程闪存。该芯片无线射频工作在2.4GHz频段，接收灵敏度高，抗干扰性能强。其外围接口能够满足农业物联网控制器的要求。

采用ZigBee技术的农业物联网控制器以CC2530作为农业物联网控制器的主控芯片，可以简化无线组网设计，其自组网功能可以满足农业物联网分布式控制的要求。

三、控制器主控芯片应用电路设计

（一）CC2530电路设计

CC2530芯片共有40个引脚，其中包括了电源接口、晶振接口、I/O接口和RF射頻接口等。CC2530总共有21个通用I/O端口，其中有些端口还可以作为特殊用途，用来连接其他的外设。CC2530芯片的应用电路比较简单，只需要少数的外接元件即可实现。

1.虽然CC2530内部集成了一个16MHz的RC震荡电路，用来给芯片正常工作时提供时钟，但RF射频模块必须工作在32MHz的频率，所以要使用CC2530的无线射频功能，就必须在电路中设计一个32MHz的晶振。

2.看门狗时钟独立于系统时钟，可以防止系统出错;睡眠时钟独立于系统时钟，可以在芯片休眠时起作用。

3.系统复位电路采用上电复位的方式，将该引脚与3.3V电源直接相连，中间加一个10k的电阻，从而实现芯片的上电复位。

（二）CC2591功率放大电路

CC2530芯片本身的发射功率很小，且接收灵敏度也固定在某一水平，限制了该芯片无线射频通信距离。为了加大发射功率，延长通讯距离，系统在CC2530射频发射前端增加了一个CC2591功率放大器。CC2591是德州仪器（TI）公司为了提高CC2500系列芯片的射频功能而专门开发生产的一块高性价比、低成本的RF收发器，工作在2.4GHz频段，可以与CC2530芯片实现无缝对接。CC2591通过功率放大器提供较高的发射功率，通过噪声放大器提高接收机的灵敏度，再借助外接棒状电线的作用，从而可以提高系统的通讯质量，延长通信距离。同CC2530芯片一样，CC2591也是高度集成的芯片，因此可用极少的外接元件实现高性价比的功率输出。

在实验条件下，设备间通信距离5m，对不同的发射电路信号强度进行测试，可以看出，使用CC2591和外接天线后信号强度明显提高，从而可以提高节点间通信质量，延长节点间通信距离。

四、农业物联网控制器的设计

农业物联网控制器以CC2530芯片为主控芯片，利用CC2530控制与之相连的设备打开或关闭，同时参与系统组网，通过ZigBee网络与边缘网关进行通信。控制器电路板上设计了一个六位的拨码开关，其编址为000000bit-111111bit，用拨码开关的编址来区分温室大棚内不同的控制器，所以系统最多可以安装64个控制器，满足了不同面积大棚的需求。

（一）控制电路设计

控制器电路中设计了四路光耦输出电路，配合继电器输出电路使用，用继电器的开关状态就可以控制温室内相关设备的打开和关闭。

对于温室大棚内无正反转、只有开关两种状态的设备