基于nRF2401的藏區蔬菜大棚管理系統的設計與實現

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對蔬菜產品的需求。現階段，西藏的蔬菜大棚產業的發展已有很大規模，生產的蔬菜也已能實現自給。從全國范圍內來看，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，文中結合西藏的區域特點和語言習慣，實現了藏區智能蔬菜大棚管理系統的設計。本項目運用nRF2401無線通信技術實現蔬菜大棚現場和后臺管理中心的通信，現場和后臺都使用SPCE061A單片機作為主控芯片；蔬菜大棚現場通過61單片機控制片內高速AD對二氧化碳傳感器、光照強度傳感器等進行采樣；采樣的數據將通過nRF2401傳遞到后臺接收；后臺中心將接收到的采樣數據在LCD上進行藏漢雙語實時顯示；當現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，提醒農戶采取相應處理措施。通過實際調研測試，本項目設計的藏區智能蔬菜大棚管理系統在藏區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，可以在全國范圍內推廣使用該系統。

1 系統設計方案

1.1 系統硬件設計

文中設計的硬件包括兩部分：前臺監測和后臺管理。前臺監測由SPCE061A單片機、各種傳感器模組組成，負責對現場影響大棚蔬菜生長的環境指標進行測量；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，實時顯示現場數據并適時語音提示，讓用戶在室內即能知道蔬菜大棚的生長環境狀況。兩者通過nRF2401無線模塊進行數據通信。其硬件整體框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件結構框圖Fig.1 Structure diagram of system hardware

1.1.1 使用nRF2401無線模組

nRF2401是單片射頻收發芯片[3]，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，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、穩壓部分、晶振部分、天線部分。電壓VDD經電容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管腳產生的2.4 G電平信號轉換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉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

本項目中前臺監測nRF2401A發送端，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，發射功率選為0 dBm，收發頻率選擇為 2.44 GHz， 接收地址選擇為：0x00，0x00，0x01，0xff，接收數據寬度為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；內置 2 k字 SRAM和32 k字FLASH；具有2個16位可編程定時器/計數器；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，在前臺監測部分，使用SPCE061A內置的A/D轉換通道，通過IOA0～IOA3對溫度傳感器、光強傳感器等進行數據采樣處理，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模液晶顯示器件，采用SPLC501A芯片作為其控制驅動器，集行、列驅動器和控制器于一體。其內置8580位顯示RAM；晶振本身內置，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據通過8位數據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，電源電壓經穩壓管TL431穩壓到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。可以直接把SPCE061A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 系統軟件設計

1.2.1 系統主程序流程圖

本項目主程序設計包括兩部分：前臺監測主程序和后臺管理主程序，主要實現了nRF2401無線通信的相關功能、AD采樣函數的調用、LCD液晶顯示函數的調用等。主程序流程框圖如圖6所示，子函數功能說明如表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液晶顯示器等實現了具有藏式特色的智能化蔬菜大棚管理系統。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，充分考慮到了藏區的語言特點。因此本項目在藏區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：哈爾濱工業大學出版社，2008.

[5]黃子強.液晶顯示原理[M].北京：國防工業出版社，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.