基于nRF2401的藏区蔬菜大棚管理系统的设计与实现

边巴旺堆，代 森，张巧玲，益西拉姆

（西藏大学 工学院 电子信息系，西藏 拉萨 850000）

自从上世纪90年代以来，西藏开始逐步推广蔬菜大棚技术，极好地满足了西藏地区对蔬菜产品的需求。现阶段，西藏的蔬菜大棚产业的发展已有很大规模，生产的蔬菜也已能实现自给。从全国范围内来看，蔬菜大棚的智能化管理方案并不多，进行实际推广使用的几乎没有。作为对蔬菜大棚智能化管理方式的探索，文中结合西藏的区域特点和语言习惯，实现了藏区智能蔬菜大棚管理系统的设计。本项目运用nRF2401无线通信技术实现蔬菜大棚现场和后台管理中心的通信，现场和后台都使用SPCE061A单片机作为主控芯片；蔬菜大棚现场通过61单片机控制片内高速AD对二氧化碳传感器、光照强度传感器等进行采样；采样的数据将通过nRF2401传递到后台接收；后台中心将接收到的采样数据在LCD上进行藏汉双语实时显示；当现场各指标有一个超过预先设置的适宜标准时，SPCE061A就会启动语音报警装置进行语音警报，提醒农户采取相应处理措施。通过实际调研测试，本项目设计的藏区智能蔬菜大棚管理系统在藏区蔬菜大棚管理中使用灵敏方便、人性化，具有良好的市场应用前景。通过升级改造，可以在全国范围内推广使用该系统。

1 系统设计方案

1.1 系统硬件设计

文中设计的硬件包括两部分：前台监测和后台管理。前台监测由SPCE061A单片机、各种传感器模组组成，负责对现场影响大棚蔬菜生长的环境指标进行测量；后台管理含有SPCE061A微处理器、LCD液晶显示电路、语音警报电路等，实时显示现场数据并适时语音提示，让用户在室内即能知道蔬菜大棚的生长环境状况。两者通过nRF2401无线模块进行数据通信。其硬件整体框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图Fig.1 Structure diagram of system hardware

1.1.1 使用nRF2401无线模组

nRF2401是单片射频收发芯片[3]，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，多种低功率工作模式，使得节能设计更方便。

本项目所用的nRF2401芯片为凌阳nRF2401A模组，芯片及其外围电路如图2所示，包括nRF2401A芯片部分、稳压部分、晶振部分、天线部分。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供工作电压；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允许值为：4 MHz、8 MHz、12 MHz、16 MHz。 天线部分包括电感 L1、L2， 用来将 nRF2401A芯片 ANT1、ANT2管脚产生的2.4 G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2管脚。

图2 nRF2401A芯片及其外围电路Fig.2 Diagram of nRF2401 chip and its peripheral circuit

本项目中前台监测nRF2401A发送端，使用SPCE061A的IOB0～IOB5与之进行通信；接收端则使用SPCE061A的IOA0～IOA5与之进行通信。在nRF2401A初始化过程中，本项目选择通道一作为通信道路，将通信的波特率设为250 kbps，晶振频率选为16 MHz，发射功率选为0 dBm，收发频率选择为 2.44 GHz， 接收地址选择为：0x00，0x00，0x01，0xff，接收数据宽度为5 Byte，这些设置都为通信的顺畅进行提供了良好的保证。

1.1.2 使用SPCE061A微处理器

SPCE061A是凌阳科技公司推出的一款16位微处理器[4]，其CPU工作电压为 3.0～3.6 V，I/O接口电压 VDDH为3.0～5.5 V；CPU 时钟频率为 0.32～49.152 MHz；内置 2 k字 SRAM和32 k字FLASH；具有2个16位可编程定时器/计数器；8个10位ADC输入通道，可以对各种模拟信号进行方便处理；32个通用I/O端口，可以扩展多种外设模块；能够进行可编程音频处理；较高的处理速度使SPCE061A能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。SPCE061A的芯片引脚如图3所示。

图3 SPCE061A引脚图Fig.3 The diagram of SPCE061A pins

本项目中，利用SPCE061A作为主控芯片，在前台监测部分，使用SPCE061A内置的A/D转换通道，通过IOA0～IOA3对温度传感器、光强传感器等进行数据采样处理，采样灵敏，使用方便。在后台管理中心，利用SPCE061A控制LCD液晶显示，以及语音警报提示。由于SPCE061A本身具有一个10位ADC MIC-IN输入通道，内置麦克风放大器和自动增益功能，可以对语音信号进行很方便的处理。

图4 SPLC501接线电路Fig.4 The SPLC501 wiring circuit

1.1.3 使用SPLC501液晶显示器

本项目中LCD液晶显示器采用凌阳SPLC501液晶模组[5]，该模组广泛用于小规模液晶显示器件，采用SPLC501A芯片作为其控制驱动器，集行、列驱动器和控制器于一体。其内置8580位显示RAM；晶振本身内置，也可以外接；为128*64点阵显示。单片机对SPLC501可以有2种访问方式：直接访问与间接访问。为简化程序，这里采用直接访问方式，微处理器可将显示数据通过8位数据总线或者串行接口写到SPLC501的显存中。图4是SPLC501模组的接线电路。

1.1.4 温度及光强传感器电路

温度/光线检测模块电路[6]如图5所示，电源电压经稳压管TL431稳压到2.5 V，提供给由R8和热敏电阻R9组成的分压电路以及R10和光敏电阻R11组成的分压电路，热敏电阻R9分得的电压通过TO输出，光敏电阻R11分得的电压通过LO输出。可以直接把SPCE061A单片机ADC的任一通道与TO或LO连接，利用单片机进行A/D转换，并计算出对应的温度和光线强度。

图5 温度及光强传感器电路图Fig.5 Circuit diagram of temperature and light intensity sensors

1.2 系统软件设计

1.2.1 系统主程序流程图

本项目主程序设计包括两部分：前台监测主程序和后台管理主程序，主要实现了nRF2401无线通信的相关功能、AD采样函数的调用、LCD液晶显示函数的调用等。主程序流程框图如图6所示，子函数功能说明如表1所示。

图6 主程序流程框图Fig.6 Flow chart of main program

表1 子函数功能说明Tab.1 Function explanation of sub-function

1.2.2 光线测量子程序

2 整体测试结果

本项目顺利完成，最终效果与设计要求误差不大。整体测试结果如图7，系统成品图如图8（未作硬件裁剪）。

图7 测试结果的藏文界面LCD显示Fig.7 Tibetan LCD display of test result

图8 系统样品图Fig.8 Diagram of the system model product

3 结束语

文中运用nRF2401无线通信技术，结合SPCE061A单片机、温度传感器、二氧化碳传感器、LCD液晶显示器等实现了具有藏式特色的智能化蔬菜大棚管理系统。本文采用的nRF2401A芯片体积小，能耗低，通信距离可达几百米，可直接与单片机连接，使用非常方便。加之本项目中藏文人机交互界面和藏语语音提示等功能的添加，充分考虑到了藏区的语言特点。因此本项目在藏区蔬菜大棚的智能化管理中将有很好的市场价值和应用前景。

[1]李庆山，戴曙光，穆平安.nRF2401无线模块在测控系统中的应用[J].电测与仪表，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]罗亚非.凌阳16位单片机应用基础[M].北京：北京航天航空大学出版社，2005.

[3]黄智伟.单片无线发射与接收电路设计[M].西安：西安电子科大学出版社，2009.

[4]张毅刚.单片机原理及应用[M].2版.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.

[5]黄子强.液晶显示原理[M].北京：国防工业出版社，2006.

[6]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2007.