CN201766741U - 基于无线网络的植物组培led光源控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于ZIGBEE无线控制网络的植物组培LED光源控制系统。目前无法对植物组培光源系统进行全时间段监控处理。本实用新型采用的技术方案为：基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，包括一主控制端和多个从控制端，其特征在于所述的主控制端包括第一微处理器、第二微处理器、存储器、实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器、串行通信接口、USB通信接口、操作按键和嵌入在双微处理器里面的控制软件，所述的从控制端包括第三微处理器、外扩存储器、实时时钟、串行通信接口、温度传感器、湿度传感器、I/O扩展口和嵌入在第三微处理器里面的控制软件。本实用新型能对大范围场地内的LED光源进行集中控制。

Description

基于无线网络的植物组培LED光源控制系统

技术领域

本实用新型涉及无线网络控制系统，具体地说是一种基于ZIGBEE无线控制网络的植物组培LED光源控制系统。

背景技术

植物组织培养技术已有近百年历史，通过组织培养技术实现重要经济植物工厂化生产的研究方兴未艾。在使用植物组培灯光源系统的时候，无论采用何种光源作为组培灯都必须要有一套光源的控制系统，而市场上对光源控制系统这方面的技术相对较少，大部分只采用普通的人工开关、继电器等设备，而且开关与继电器均会有机械性损耗。任何设备的开关操作都要靠人工手动实现，无法对光源系统进行全时间段监控处理，造成植物在适合的生长时间段得不到充足的光照，周期性控制差。

目前我国对有关植物组织培养用人工光源(如白炽灯、日光灯、钠灯、高压汞灯等)改进工作则主要集中在研发较低散热与较高效率的人工光源上，而对人工光源控制系统管理方面的研究与开发相对较少，尤其是比人工光源具有可调整光强、光谱、冷却负荷低、电光转换效率高、体积小、寿命长、使用直流电及可设定特定波长等优点的LED光源，其控制管理系统的研究与开发几乎没有。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，该系统能对大范围场地内的LED光源进行集中控制，使LED光源的控制变得智能化，以更高效的提高光源对植物的光合作用，控制植物的生长周期。

为此，本实用新型采用以下的技术方案：基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，包括一主控制端和多个从控制端，其特征在于所述的主控制端包括第一微处理器、第二微处理器、存储器、实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器、串行通信接口、USB通信接口、操作按键和嵌入在双微处理器里面的控制软件，第一微处理器通过SPI总线与第二微处理器连接，存储器通过数据线与第一微处理器连接，实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器和操作按键分别通过数据线与第二微处理器连接，串行通信接口和USB通信接口设在第二微处理器上，通过双微处理器的控制软件与硬件的相互配合下实现参数的设置、发送、接收等相关的操作。

所述的从控制端包括第三微处理器、外扩存储器、实时时钟、串行通信接口、温度传感器、湿度传感器、I/O扩展口和嵌入在第三微处理器里面的控制软件，第三微处理器与第一微处理器采用ZIGBEE方式进行通信，外扩存储器、实时时钟、温度传感器和湿度传感器分别通过数据线与第三微处理器连接，串行通信接口和I/O扩展口设在第三微处理器上，控制软件能实现对第三微处理器的外围硬件电路进行驱动控制、接收等功能。

主、从控制端之间采用ZIGBEE星形方式进行通信，主控制端通过对每个从控制端内部Flash中我们所预编设定的唯一的MAC地址进行广播呼叫，被广播呼叫到的从控制端将会发送回一个确认编码给主控制端，经过第一微处理器对接收到该确认编码信息后通过SPI数据总线传送到第二微处理器进行判断处理以及通过显示装置显示出相应从控制端的编码、控制模式选项、时间、日期、从控制端周围的温度、湿度等信息。跟据我们的要求，对已呼叫到的从控制端进行亮灯周期、时间、日期、温度限值、湿度限值等参数设置，当一切参数已设置妥当后再由第二微处理器通过SPI数据总线传送到第一微处理器的存储器里面进行数据打包传送。当从控制端第三微处理接收完数据包后也会先发送一个结束信息到主控制端，然后执行解压主控制端发来的设置参数，进行判断、参数存储、执行数据等操作指令。从控制端第三微处理器的控制软件通过对主控制端发来的数据跟行参数调用，可实现对光源的光强与光周期的控制，其中还可以针对某一种植物在不同的生长阶段里对不同的光质、光周期的需求量而设置相对应的植物生长曲线调节程序存储到从控制端的外扩存储器里面，让植物组培灯光源受控于程序所设置的生长曲线进行自动调整。

本实用新型只要把硬件的相关参数设置好，无线控制网络就可以在无人守值的情况下能按照设定的参数对光源各方面进行智能化操作。本实用新型的智能化操作可有效地提高植物生长的生长量与有效成分，解决植物繁育中出现的高能耗、周期长等问题，极大的缩短了种苗培育周期。

上述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，第一微处理器采用CC2430芯片，该芯片内部集成51内核。

上述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，第二微处理器采用AVRMega系列单片机。

上述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，温度传感器内置温度检测电路和控制电路，湿度传感器内置湿度检测电路和控制电路。

上述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，所述的操作按键采用A/D转换式按键。

上述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，显示装置采用点阵式液晶显示屏。

本实用新型针对现有植物生长过程中采用传统人工光源控制系统存在的周期性控制差、有机械器件磨损、依赖人工操作性强、长培育周期控制需要专人调节等不足，具有以下有益效果：解决了组培室布线不方便的缺点；采用星形无线控制网络，只需要一个主控制端就能对多个从控制端进行控制，方便系统扩展；具有图形化操作界面，可方便参数监测与设置；能对大范围场地内的LED光源进行集中控制，LED光源的控制变得智能化，更高效的提高光源对植物的光合作用，控制了植物的生长周期。

下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型的原理示意图。

图2是本实用新型主控制端的原理示意图。

图3是本实用新型主控制端第一微处理器的电路原理图。

图4是本实用新型主控制端第二微处理器的电路原理图。

图5是本实用新型主控制端USB通信接口的电路原理图。

图6是本实用新型主控制端温度传感器的电路原理图。

图7是本实用新型主控制端湿度传感器的电路原理图。

图8是本实用新型主控制端实时时钟(RTC)的电路原理图。

图9是本实用新型主控制端A/D转换式按键的电路原理图。

图10是本实用新型主控制端串行通信接口的电路原理图。

图11是本实用新型主控制端控制软件的工作流程图。

图12是本实用新型从控制端控制软件的工作流程图。

图13是本实用新型从控制端的原理示意图。

图14是本实用新型从控制端第三微处理器的电路原理图。

图15是本实用新型从控制端外扩存储器的电路原理图。

图16是本实用新型从控制端RTC的电路原理图。

图17是本实用新型从控制端串行通信接口的电路原理图。

图18是本实用新型从控制端温度传感器的电路原理图。

图19是本实用新型从控制端湿度传感器的电路原理图。

图20是本实用新型从控制端I/O扩展口的电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的无线控制网络系统采用ZIGBEE星形无线控制技术，该控制平台的扩展性强，能组成大型的通信应用网络，在不修改或修改量少的情况下，能随意扩展多个应用节点。从图1中可以看出本实用新型主要是由主控制端(也被称为主控制端)、从控制端(也被称为从控制器)组成，主控制端与从控制端采用ZIGBEE方式进行通信。主控制端实现参数的设置、发送、接收相关的参数。从控制端实现驱动控制、接收执行主控制端发来的设置参数，进行判断，参数存储，执行数据指令。

如图2所示的主控制端，主控制端采用双微处理器控制，其由第一微处理器、第二微处理器、存储器、实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器、串行通信接口、USB通信接口、操作按键和嵌入在双微处理器里面的控制软件(其工作流程如图11所示)组成，第一微处理器通过SPI总线与第二微处理器连接，存储器通过数据线与第一微处理器连接，实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器和操作按键分别通过数据线与第二微处理器连接，串行通信接口和USB通信接口设在第二微处理器上，通过双微处理器的控制软件与硬件的相互配合下实现参数的设置、发送、接收等相关的操作。

如图3所示的主控制端的第一微处理器，采用的是CC2430收发控制模块芯片，该芯片内部集成51内核，能构成多种无线控制网络，充当星形无线控制网络的中心收发站。例如：从控制端要将采集到的温度、湿度、时间等数据发送到主控制端里处理、判断，那么从控制端的第三微处理器芯片内部将会对采集到的数据进行一些简单处理后送到无线控制发射端口发射申请。当主控制端的收发站(主控制端第一微处理器)检测到从控制端的申请传送数据命令后，主控制端的收发站(第一微处理器)就会响应从控制端的申请是否对传送的数据进行接收，如果响应接收，则把接收到的数据会暂时存放在收发站(第一微处理器)的储存器里，然后再通过SPI总线跟第二微处理器相互传输交换要数据。如果不响应数据接收申请，则不会对这一数据进行接收。主控制端的发送的执行步骤与此相近，如图11所示，要发送的数据由第二微处理器通过SPI总线传输中心收发站(第一微处理器)，收发站(第一微处理器)对要发送的数据进行处理，再送到发射端口发送出去。但唯一不同的是，主控制端所发送的数据，从控制端的接收端必须对数据进行接收处理。

如图4所示的主控制端的第二微处理器，其采用AVR Mega16单片机。

如图5所示的USB通信接口，其可与PC机进行通信处理。比如：我们在使用中有不知道自己在实际中对主控制端进行了哪些设置，哪些是不必要的设置，哪些需要更改的或者在使用中发现时间、日期有误差的，都可以连接上PC机进行校正修改等操作。

湿度传感器用于采集植物生长所处的环境湿度，湿度传感器采用CHM-02型传感器，DC 5V供电，输出的是线性电压值，准确度高，寿命长等优点。温度传感器用于采集植物生长所处的环境温度，温度传感器采用18B20型传感器，输出的为数字信号，而非传统的模拟量，则有温度测量准确度高，与微处理器通信的方式是采用单线通信，只需占用一个I/O(输入/输出)口，减少了对第二微处理器的I/O口的占用量。比如：第二微处理器对温度/湿度传感器进行数据采集、计算是否达到设定的温度值/湿度量，这里我们对控制软件中所设定的初始温度为2-28摄氏度，湿度初始设定80％-90％相对湿度，根据实际情况可以通过A/D转换式按键(见图9)进行修改参数值或其它类型的参数。第二微处理器会定时对温度/湿度传感器进行抽取检测各自传感器的数据量/电压值进行计算、判断。如果检测到温度/湿度的设定值大于或小于我们所初始设定的值时，第二微处理器通过对25脚(T Expansion port)/26脚(H Expansion port)两个I/O口置1，输出高电平，从而驱动外围控制电路，如图6、7所示，温度/湿度传感器控制口受控于第二微处理器的25脚/26脚两个I/O口，当I/O口输出的是高电平(DC 5V)经过1K的限流电阻连接到NPN极性的三极管的基极，NPN三极管的集电极与发射极导通，由于NPN三极管的集电极接通一个外部5V电源，当NPN三极管导通时也会将DC 5V电源传送到NPN三极管的发射极与光电耦合器相连的4脚，经光电耦合器的3脚通过接系统地形成电流的环路，带动光电耦合器的1、2两脚的导通再驱动高压继电器对外部的温度/湿度传感器等进行智能控制，从而达到温度/湿度的有效控制。从上述的流程中，我们采用NPN三极管，光电耦合器两级电路的对高压抗干扰处理，确保了电路系统的稳定性。

如图8所示的RTC实时时钟电路原理图，时钟装置与第二微处理器连接，用于提供精确的时钟控制，可利用PCF8563时钟芯片或者其他时钟芯片，优选采用PCF8563时钟芯片，该芯片具有准确度高、软硬件开发成熟。RTC电路除了能帮助第二微处理器从休眠的低功耗状态唤醒，第二微处理器通过对A/D转换式按键的扫描处理，如果按键处于设定时间状态，第二微处理器内部的控制软件即可对RTC芯片内存(00H，01H)地址的状态访问以及寄存器的程序编写、调用，可以准确地对RTC芯片寄存器(08H----02H)年、月、日、时、分、秒的设定。利用RTC芯片本身自带的中断源，在第二微处理器对其(0CH-星期报警、0BH-日报警、OAH-小时报警、09H-分钟报警)的设置而不参与其内部工作时，RTC电路能自身对时间进行累加计算，一旦累加的时间到达设定值的时候，RTC内部产生中断报警信号，通过I2C数据总路线接口向第二微处理器提交中断处理信息，当第二微处理器的处理请求时第二微处理器会根据中断源的优先级对其进行处理，使我们所设定的时间、周期能得到准确的控制。

如图9所示的A/D转换式按键，通过第二微处理器对按键的电压量进行A/D扫描，从而判断、确认该电压量对应的功能按键。但有时候同一个按键，如果在不同的设置功能页面的操作的时候，该按键所对应的功能是不同。这涉及到一个按键复用的问题。

显示装置用于显示按键设定的各种参数，采用128x128的黑白点阵式液晶显示屏LCD，通过SPI数据总数连接上第二微处理器进行刷屏控制。

如图10所示的串行通信接口，用于调试数据的输入，软件升级等操作预留的扩展口。优选采用MAX 3232芯片，该芯片具有较宽的工作电压值，从3-5V均可以稳定正常工作。

如图13所示的从控制端的原理示意图，从控制端采用单处理器控制，其由第三微处理器、外扩存储器、实时时钟、串行通信接口、温度传感器、湿度传感器、I/O扩展口和嵌入在第三微处理器里面的控制软件(其工作流程如图12所示)组成，控制软件用于实现对第三微处理器的外围硬件电路进行驱动控制、接收等功能操作。第三微处理器与第一微处理器采用ZIGBEE方式进行通信，外扩存储器、实时时钟、温度传感器和湿度传感器分别通过数据线与第三微处理器连接，串行通信接口和I/O扩展口设在第三微处理器上。

如图14所示的从控制端的第三微处理器，其采用与主控制端的中心收发站同一型号系列的控制芯片CC2430收发控制模块芯片，该芯片内部集成51内核，能构成多种无线控制网络，在从控制端电路中是除了充当星形无线控制网络的收发终端点外，还是核心主处理器。

例如：从控制端将采集到的温度、湿度、时间等数据先在第三微处理器里对所有数据进行处理、判断。如果对采集到的数据判断出有超出正常数值的，那么第三微处理器就会把超出正常数值的数据进行简单的打包处理送到第三微处理器内部的无线寄存器里面，然后由发送端口发射出去，为了确保发送出的数据是否被主控制端的中心收发站接收到，这就要求主控制端的中心收发站在接收完成数据后，再往从控制端发送一个接收完成确认信号，如果第一次发送出去后，主控制端没有往回发确认信号，则会延迟一秒后再发送一次，如果第二次也没有得到主控制端的接收，则从控制端取消该次的发送参数。如果主控制端接收完数据后往从控制端发送确认信号，传送完成，该次通信传输数据成功。而主控制端向从控制端传送数据的方法在前面已提到，这里就不再重复。

如图15所示的外扩存储器EEPROM，在从控制端的第三微处理器中，第三微处理器除了作为一个发射与接收器之外，还要担任主处理器，所要编译运行的程序代码把第三微处理器自身所带的储存器基本放满，而在实际运行时从控制端还会不断地从检测电路里提取参数变量进行储存，故应该为第三微处理器扩展一个外扩存储器，以满足控制软件对存取空间的需求。

如图16所示的从控制端RTC时钟电路原理图，时钟装置与第三微处理器连接，用于提供精确的时钟控制，可利用PCF8563时钟芯片或者其他时钟芯片，优选采用PCF8563时钟芯片，该芯片具有准确度高、软硬件开发成熟。RTC电路除了能帮助第三微处理器从休眠的低功耗状态唤醒，第三微处理器还可通过从主控制端发送过来的数据里解压出(写/读)时间、日期、中断报警等信息，第三微处理器内部的控制软件即可对RTC芯片内存(00H，01H)地址的状态访问以及寄存器的程序编写、调用，可以准确地对RTC芯片寄存器(08H----02H)年、月、日、时、分、秒的设定。利用RTC芯片本身自带的中断源，在第三微处理器对其(0CH-星期报警、0BH-日报警、0AH-小时报警、09H-分钟报警)的设置而不参与其内部工作时，RTC电路能自身对时间进行累加计算，一旦累加的时间到达设定值的时候，RTC内部产生中断报警信号，通过I2C数据总路线接口向第三微处理器提交中断处理信息，当第三微处理器的处理请求时第三微处理器会根据中断源的优先级对其进行处理，当处理后得到的得到的结果会把对应的I/O扩展口的电平拉高为高电平，从而驱动MOS管的导通或者使继电器吸合等扩展控制电路，使植物组培灯的亮、灭等得到准确的控制。

如图17所示的串行通信接口，用于调试数据的输入/出、后期的维护、软件升级等重要操作预留的扩展口。优选采用MAX 3232芯片，该芯片具有较宽的工作电压值，从3-5V均可以稳定正常工作。

在每个控制模块里增加一对温度/湿度传感器的主要目的是为能准确地对面积较大的组培室里的每一处都能达恒温、恒湿的植物生长环境。

湿度传感器用于采集植物生长所处的环境湿度，湿度传感器采用CHM-02型传感器，DC 5V供电，输出的是线性电压值，准确度高，寿命长等优点。

温度传感器用于采集植物生长所处的环境温度，温度传感器采用18B20型传感器，输出的为数字信号，而非传统的模拟量，则有温度测量准确度高，与第三微处理器通信的方式是采用单线通信，只需占用一个I/O(输入/输出)口，减少了对第三微处理器的I/O口的占用量。

比如：第三微处理器对温度/湿度传感器进行数据采集、计算是否达到设定的温度值/湿度量。这里我们对控制软件中所设定的初始温度为23-28摄氏度，湿度初始设定80％-90％相对湿度，根据实际情况可以通过主控制端发送下来参数值或其它类型的参数的设置。第三微处理器会定时对温度/湿度传感器进行抽取检测各自传感器的数据量/电压值进行计算、判断。如果检测到温度/湿度的设定值大于或小于我们所初始设定的值时，第三微处理器就会把超出正常数值的数据进行简单的打包处理送到第三微处理器内部的无线寄存器里面，然后由发送端口发射传送到主控制端进行判断处理。如果主控制对上述情况作出降/升温、加/减湿的操作指令发送到从控制端，那么从控制的微处理器对调用等程序对第三微处理器的5脚(T Expansion port)/8脚(H Expansion port)两个I/O口置1，输出高电平，从而驱动外围控制电路，如图18、19所示，温度/湿度传感器控制口受控于第二微处理器的25脚/26脚两个I/O口，当I/O口输出的是高电平(DC 5V)经过1K的限流电阻连接到NPN极性的三极管的基极，NPN三极管的集电极与发射极导通，由于NPN三极管的集电极接通一个外部5V电源，当NPN三极管导通时也会将DC 5V电源传送到NPN三极管的发射极与光电耦合器相连的4脚，经光电耦合器的3脚通过接系统地形成电流的环路，带动光电耦合器的1、2两脚的导通再驱动高压继电器对外部的温度/湿度控制设备等进行智能控制，从而达到温度/湿度的有效控制。从上述的流程中，我们采用NPN三极管，光电耦合器两级电路的对高压抗干扰处理，确保了我们电路系统的稳定性。

如图20的I/O扩展口，由于从控制端的第三微处理器无法提供多路I/O输出口控制线来控制外围的驱动电路，如：MOS、可控硅、继电器等开关元器件。一旦该系统在对多路组培灯控制时，第三微处理器的控制能力就显得有点力不从心的了，控制器的优越的控制性能也就体现不出，为了解决这个瓶颈，采用了I2C的通信的方式的(PCF8577)I/O口扩展芯片，该芯片最可扩展到32只I/O口，而且只需向芯片提供DC 5V电压与系统地(GND)以及2根I2C控制线即可解决从控制端的第三微处理器的I/O不足的问题，从而能构建更多的外围控制电路单元对植物组培灯的控制。

Claims (6)

1.基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，包括一主控制端和多个从控制端，其特征在于所述的主控制端包括第一微处理器、第二微处理器、存储器、实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器、串行通信接口、USB通信接口和操作按键，第一微处理器通过SPI总线与第二微处理器连接，存储器通过数据线与第一微处理器连接，实时时钟、显示装置、温度传感器、湿度传感器和操作按键分别通过数据线与第二微处理器连接，串行通信接口和USB通信接口设在第二微处理器上；

所述的从控制端包括第三微处理器、外扩存储器、实时时钟、串行通信接口、温度传感器、湿度传感器和I/O扩展口，第三微处理器与第一微处理器采用ZIGBEE方式进行通信，外扩存储器、实时时钟、温度传感器和湿度传感器分别通过数据线与第三微处理器连接，串行通信接口和I/O扩展口设在第三微处理器上。

2.根据权利要求1所述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，其特征在于第一微处理器采用CC2430芯片。

3.根据权利要求1所述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，其特征在于第二微处理器采用AVR Mega系列单片机。

4.根据权利要求1所述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，其特征在于温度传感器内置温度检测电路和控制电路，湿度传感器内置湿度检测电路和控制电路。

5.根据权利要求1所述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，其特征在于所述的操作按键采用A/D转换式按键。 

6.根据权利要求1所述的基于无线网络的植物组培LED光源控制系统，其特征在于所述的显示装置采用点阵式液晶显示屏。 

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