基于ARM和nRF905的智能农业系统设计

李敏++刘颖++侯亚玲

摘 要： 系统以ARM LPC2378和无线射频模块为核心，分为上位机和下位机两部分。下位机作为数据采集模块，并连接执行装置和各类传感器，通过传感器采集农林环境数据，以一定时间间隔将各数据通过无线射频模块nRF905发送给上位机；上位机负责农林环境的监控，通过nRF905进行农林环境数据采集，并分析数据。当数据异常时，上位机发送执行信号给下位机，控制执行单元工作，从而改善农林环境，利于植物生长。整个系统实现了无线通信在数据采集及控制中的使用，传输距离较远，在生态环境监测领域具有广泛的应用。

关键词： nRF905； LPC2378； 智能农业系统； 农林环境； 上位机； 下位机

中图分类号： TN915.41?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0049?03

Design of intelligent agricultural system based on ARM and nRF905

LI Min， LIU Ying， HOU Ya?ling

（College of Information Engineering， Xian Eurasia University， Xian 710065， China）

Abstract： ARM LPC2378 and wireless radio frequency module are taken as the core of the system， and divided into two parts， master PC and slave PC. The slave PC is used as the data acquisition module and connected with the executive device and various sensors to collect agriculture and forestry environment data through sensors， and send each data to the master PC through radio frequency module nRF905 at a certain time interval. The master PC is responsible for agriculture and forestry environmental monitoring， execute agriculture and forestry environment data acquisition through the nRF905， and analyze data. When the data is unusual， the master PC sent an executive signal to the slave PC to control execution unit. The system can improve agriculture and forestry environment for the growth of plants. The system can realize the application of wireless communication in the data acquisition and control. Its transmission distance is far. It has widely application in the field of ecological environmental monitoring.

Keywords： nRF905； LPC2378； intelligent agricultural system； agriculture and forestry environment； master PC

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

[PWR_UP＼&TRX_CE＼&TRX_EN＼&工作模式＼&0＼&X＼&X＼&掉电或ISP＼&1＼&0＼&X＼&空闲和SPI编程＼&1＼&1＼&0＼&接收模式＼&1＼&1＼&1＼&发射模式＼&]

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；母板通过检测输入电压的大小，检测土壤的相对湿度。YL?69和母板相连的引脚有3个，[VCC，]GND以及AD输入端。[VCC，]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

[1] 李萍.智能农业系统中感知适配网关的研究与设计[D].杭州：浙江理工大学，2011.

[2] 孙其博，刘杰，黎羴，等.物联网：概念、架构与关键技术研究综述[J].北京邮电大学学报，2010，33（3）：1?9.

[3] 何茜.自动化控制技术在农业生产中的应用[J].科技创业家，2014（1）：189?189.

[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.

[6] 王战备.室内温度多点检测系统设计[J].信息技术，2011（1）：20?22.

[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.

[8] 陈光宇.继电器箱步进继电器线包供电改进[J].有线电视技术，2012（11）：81?82.

[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.

[10] 赵建华，韩玉杰.基于nRF905的温室无线数据传输系统[J].机电产品开发与创新，2009，22（6）：141?142.

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；母板通过检测输入电压的大小，检测土壤的相对湿度。YL?69和母板相连的引脚有3个，[VCC，]GND以及AD输入端。[VCC，]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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[10] 赵建华，韩玉杰.基于nRF905的温室无线数据传输系统[J].机电产品开发与创新，2009，22（6）：141?142.

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；母板通过检测输入电压的大小，检测土壤的相对湿度。YL?69和母板相连的引脚有3个，[VCC，]GND以及AD输入端。[VCC，]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。

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