一、項(xiàng)目背景

智慧農(nóng)業(yè)是近年來發(fā)展迅速的領(lǐng)域，其目的是利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，并提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。本文基于CC2530設(shè)計(jì)了一種智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，采用DHT11模塊、BH1750模塊和土壤濕度傳感器等傳感器，通過串口協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示。

二、系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)主要包括一下的組成部分：

【1】采集端：由CC2530單片機(jī)和各種傳感器構(gòu)成，負(fù)責(zé)測(cè)量環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度和土壤濕度等信息，并通過串口協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示。

【2】上位機(jī)：采用Qt進(jìn)行開發(fā)，負(fù)責(zé)接收串口上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。

【3】傳輸介質(zhì)：采用串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，支持異步通信，具有數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

【4】傳感器模塊：包括DHT11模塊、BH1750模塊和土壤濕度傳感器等，通過采集環(huán)境溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度和土壤濕度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和控制。

CC2530是德州儀器（Texas Instruments）推出的一款低功耗無線系統(tǒng)芯片，它是基于ZigBee協(xié)議的SoC系統(tǒng)，內(nèi)置了ARM Cortex-M3處理器和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)無線通信模塊，可以實(shí)現(xiàn)低速率的無線數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)互連。CC2530芯片的主要特點(diǎn)是低功耗、高可靠性、靈活性強(qiáng)、易于集成和開發(fā)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)、智能家居、智能電表、智能照明等領(lǐng)域的無線數(shù)據(jù)傳輸和控制系統(tǒng)中。

BH1750是一款數(shù)字式環(huán)境光傳感器，可用于測(cè)量光強(qiáng)度。它具有高分辨率和靈敏度，并且與普通光敏電阻相比，具有更廣泛的動(dòng)態(tài)范圍和線性性。BH1750可以通過I2C接口連接到微控制器或其他電子設(shè)備上，如Arduino、樹莓派等。它被廣泛應(yīng)用于夜間照明系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。

DHT11是一種數(shù)字溫濕度傳感器，可以測(cè)量環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度。它通常被用于家庭和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域，可以在各種應(yīng)用中監(jiān)測(cè)環(huán)境條件。

DHT11有四個(gè)引腳：VCC（電源正極）、GND（地）、DATA（數(shù)據(jù)信號(hào)）和NC（未使用）。它可以通過單一總線接口與微控制器連接，并以數(shù)字形式輸出溫度和濕度值。其溫度測(cè)量范圍為0℃至50℃，濕度測(cè)量范圍為20%RH至90%RH。

在使用DHT11傳感器時(shí)，需要注意一些問題。例如，在讀取數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將傳感器加電并等待1至2秒鐘，以使其穩(wěn)定。此外，在讀取數(shù)據(jù)后，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【1】采集端設(shè)計(jì)

采集端主要由CC2530單片機(jī)和各種傳感器構(gòu)成。其中，溫濕度采用DHT11模塊，光照強(qiáng)度采用BH1750模塊，土壤濕度采用土壤濕度傳感器。通過采集這些信息，可以了解農(nóng)田的環(huán)境狀態(tài)，并根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)和控制，保證作物的正常生長(zhǎng)。

【2】上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用QT進(jìn)行開發(fā)，支持串口通信和數(shù)據(jù)顯示。在數(shù)據(jù)傳輸端口的配置上，串口通信采用異步通信方式，支持?jǐn)?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，即每個(gè)數(shù)據(jù)包由起始位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)碼、停止位等幾部分組成，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，上位機(jī)還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示和歷史數(shù)據(jù)的查詢導(dǎo)出功能，以方便用戶對(duì)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。

四、上位機(jī)源碼實(shí)現(xiàn)

以下是Qt串口讀取數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)代碼：

#include 
 #include 
 #include 
 #include 
 ?
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     QCoreApplication a(argc, argv);
 ?
     QSerialPort serial;
     serial.setPortName("COM1");  // 根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置端口號(hào)
     if (!serial.open(QIODevice::ReadWrite)) {  // 打開串口
         qDebug() << "Failed to open serial port!";
         return 1;
     }
 ?
     // 設(shè)置串口參數(shù)
     serial.setBaudRate(QSerialPort::Baud115200);
     serial.setDataBits(QSerialPort::Data8);
     serial.setParity(QSerialPort::NoParity);
     serial.setStopBits(QSerialPort::OneStop);
     serial.setFlowControl(QSerialPort::NoFlowControl);
 ?
     while (true) {
         if (serial.waitForReadyRead(1000)) {  // 等待數(shù)據(jù)
             QByteArray data = serial.readAll();  // 讀取所有數(shù)據(jù)
             qDebug() << "Received data:" << data;  // 打印所有數(shù)據(jù)
 ?
             // 解析數(shù)據(jù)
             QStringList dataList = QString(data).split(",");
             if (dataList.size() == 4) {
                 float temperature = dataList[0].toFloat();
                 float humidity = dataList[1].toFloat();
                 float illumination = dataList[2].toFloat();
                 float soilMoisture = dataList[3].toFloat();
 ?
                 // 打印解析后的數(shù)據(jù)
                 qDebug() << "Temperature:" << temperature << "°C";
                 qDebug() << "Humidity:" << humidity << "%";
                 qDebug() << "Illumination:" << illumination << "lux";
                 qDebug() << "Soil Moisture:" << soilMoisture << "%";
             }
         }
     }
 ?
     return a.exec();
 }

讀取數(shù)據(jù)時(shí)，采用了waitForReadyRead函數(shù)等待串口數(shù)據(jù)到達(dá)，該函數(shù)的參數(shù)表示最長(zhǎng)等待時(shí)間，單位為毫秒。在解析數(shù)據(jù)時(shí)，使用了QString的split函數(shù)將數(shù)據(jù)按逗號(hào)分隔為多個(gè)字符串，再分別轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的浮點(diǎn)數(shù)。

五、CC2530設(shè)備端源碼

【1】BH1750數(shù)據(jù)讀取

以下是CC2530單片機(jī)讀取BH1750光敏傳感器的值并打印到串口的代碼：

#include "hal_board_cfg.h"
 #include "hal_types.h"
 #include "hal_defs.h"
 #include "hal_uart.h"
 #include "onboard.h"
 #include "hal_i2c.h"
 ?
 #define BH1750_ADDR 0x23  // BH1750默認(rèn)地址
 ?
 void initUART();
 void sendStr(char *str);
 void BH1750_init();
 uint16 BH1750_read();
 ?
 void main()
 {
     // 初始化
     halBoardInit();
     initUART();
     BH1750_init();
 ?
     while (TRUE)
     {
         // 讀取傳感器數(shù)據(jù)
         uint16 illumination = BH1750_read();
         char str[16];
         sprintf(str, "%d", illumination);
 ?
         // 將數(shù)據(jù)打印到串口
         sendStr(str);
 ?
         // 延時(shí)等待1秒
         halMcuWaitMs(1000);
     }
 }
 ?
 void initUART()
 {
     HAL_UART_CFG_T uartCfg;
 ?
     uartCfg.baudRate = HAL_UART_BR_115200;
     uartCfg.flowControl = FALSE;
     uartCfg.parity = HAL_UART_PARITY_NONE;
     uartCfg.stopBits = HAL_UART_STOP_BITS_1;
     uartCfg.startGuardTime = 0;
 ?
     HalUARTInit();
     HalUARTOpen(HAL_UART_PORT_0, &uartCfg);
 }
 ?
 void sendStr(char *str)
 {
     while (*str != '\\0')
     {
         HalUARTWrite(HAL_UART_PORT_0, (uint8*)str, 1);
         str++;
     }
 ?
     HalUARTWrite(HAL_UART_PORT_0, (uint8*)"\\r\\n", 2);
 }
 ?
 void BH1750_init()
 {
     uint8 pBuf[2];
 ?
     pBuf[0] = 0x01;  // 開始測(cè)量命令
     halI2CWrite(BH1750_ADDR, pBuf, 1);
 ?
     pBuf[0] = 0x10;  // 分辨率設(shè)置為1lx
     halI2CWrite(BH1750_ADDR, pBuf, 1);
 }
 ?
 uint16 BH1750_read()
 {
     uint8 pBuf[2];
 ?
     halI2CRead(BH1750_ADDR, pBuf, 2);
 ?
     uint16 illumination = (pBuf[0] << 8) | pBuf[1];
 ?
     return illumination;
 }

上述代碼中，initUART函數(shù)用于初始化串口，sendStr函數(shù)用于將字符串打印到串口。BH1750_init函數(shù)用于初始化BH1750傳感器，包括發(fā)送開始測(cè)量指令和設(shè)置分辨率為1lx等操作。BH1750_read函數(shù)用于讀取傳感器數(shù)據(jù)并計(jì)算出光照強(qiáng)度值。在main函數(shù)中，使用了一個(gè)while循環(huán)不斷從傳感器讀取數(shù)據(jù)，并通過串口打印輸出。代碼中的延時(shí)函數(shù)halMcuWaitMs是CC2530提供的延時(shí)函數(shù)，可以使用其他方式實(shí)現(xiàn)延時(shí)等待功能。

【2】DHT11溫濕度數(shù)據(jù)讀取

以下是CC2530單片機(jī)讀取DHT11傳感器的溫度和濕度并打印到串口的代碼：

#include "hal_types.h"
 #include "hal_board.h"
 #include "hal_uart.h"
 ?
 #define DHT11_PORT 1   // DHT11連接到P1口
 ?
 // 發(fā)送一個(gè)DHT11開始信號(hào)
 void DHT11_Start(void) {
   // 設(shè)置引腳為輸出模式
   P1SEL &= ~(1 << DHT11_PORT);
   P1DIR |= (1 << DHT11_PORT);
 ?
   // 拉低引腳
   P1_1 = 0;
 ?
   // 等待至少18ms
   HalDelayMs(18);
 ?
   // 拉高引腳
   P1_1 = 1;
 ?
   // 等待20~40us，并切換到輸入模式
   HalDelayUs(30);
   P1DIR &= ~(1 << DHT11_PORT);
 }
 ?
 // 等待DHT11響應(yīng)信號(hào)
 uint8 DHT11_WaitResponse(void) {
   uint8 timeOut = 0;
   while(P1_1 && timeOut < 200) {  // 等待低電平出現(xiàn)，超時(shí)返回1
     HalDelayUs(1);
     timeOut++;
   }
   if(timeOut >= 200) return 1;
 ?
   timeOut = 0;
   while(!P1_1 && timeOut < 200) {  // 等待高電平出現(xiàn)，超時(shí)返回1
     HalDelayUs(1);
     timeOut++;
   }
   if(timeOut >= 200) return 1;
 ?
   return 0;
 }
 ?
 // 讀取一個(gè)位
 uint8 DHT11_ReadBit(void) {
   uint8 timeOut = 0;
   while(P1_1 && timeOut < 200) {  // 等待低電平出現(xiàn)，超時(shí)返回1
     HalDelayUs(1);
     timeOut++;
   }
 ?
   timeOut = 0;
   while(!P1_1 && timeOut < 200) {  // 等待高電平出現(xiàn)，超時(shí)返回1
     HalDelayUs(1);
     timeOut++;
   }
 ?
   HalDelayUs(40);  // 等待40us
 ?
   if(P1_1) return 1;  // 如果在40us內(nèi)未出現(xiàn)低電平，返回1，表示數(shù)據(jù)錯(cuò)誤
 ?
   return 0;
 }
 ?
 // 讀取一個(gè)字節(jié)
 uint8 DHT11_ReadByte(void) {
   uint8 byte = 0;
   uint8 i;
   for(i=0;i<8;i++) {
     byte <<= 1;
     byte |= DHT11_ReadBit();
   }
   return byte;
 }
 ?
 // 從DHT11讀取溫度和濕度數(shù)據(jù)
 void DHT11_ReadData(uint8* temperature, uint8* humidity) {
   uint8 data[5];
 ?
   // 發(fā)送開始信號(hào)
   DHT11_Start();
 ?
   // 等待響應(yīng)信號(hào)
   if(DHT11_WaitResponse()) {
     *temperature = 0;
     *humidity = 0;
     return;
   }
 ?
   // 讀取數(shù)據(jù)
   data[0] = DHT11_ReadByte();  // 濕度整數(shù)部分
   data[1] = DHT11_ReadByte();  // 濕度小數(shù)部分
   data[2] = DHT11_ReadByte();  // 溫度整數(shù)部分
   data[3] = DHT11_ReadByte();  // 溫度小數(shù)部分
   data[4] = DHT11_ReadByte();  // 校驗(yàn)和
 ?
   // 計(jì)算校驗(yàn)和
   uint8 sum = data[0] + data[1] + data[2] + data[3];
   if(sum != data[4]) {
     *temperature = 0;
     *humidity = 0;
     return;
   }
 ?
   // 計(jì)算溫度和濕度
   *humidity = data[0];
   *temperature = data[2];
 }
 ?
 // 初始化串口
 void UART_Init(void) {
   HalUARTInit();
   HalUARTCfg_t uartConfig;
   uartConfig.configured = TRUE;
   uartConfig.baudRate = HAL_UART_BR_115200;
   uartConfig.flowControl = FALSE;
   uartConfig.flowControlThreshold = 64;
   // 設(shè)置串口傳輸格式
 uartConfig.rx.maxBufSize = 128;
 uartConfig.tx.maxBufSize = 128;
 uartConfig.idleTimeout = 6;
 uartConfig.intEnable = TRUE;
 uartConfig.callBackFunc = NULL;
 HalUARTOpen(HAL_UART_PORT_0, &uartConfig);
 }
 ?
 // 打印溫度和濕度到串口
 void PrintData(uint8 temperature, uint8 humidity) {
 char buf[32];
 sprintf(buf, "Temperature: %dC, Humidity: %d%%\\r\\n", temperature, humidity);
 HalUARTWrite(HAL_UART_PORT_0, (uint8*)buf, strlen(buf));
 }
 ?
 void main(void) {
 uint8 temperature, humidity;
 ?
 // 初始化串口
 UART_Init();
 ?
 while(1) {
 // 從DHT11讀取數(shù)據(jù)
 DHT11_ReadData(&temperature, &humidity);
 ?
 // 打印數(shù)據(jù)到串口
 PrintData(temperature, humidity);
 ?
 // 等待1秒鐘
 HalDelayMs(1000);
 }
 }

這段代碼使用CC2530單片機(jī)通過DHT11傳感器讀取環(huán)境溫度和濕度，并將其打印到串口。具體實(shí)現(xiàn)過程為，首先發(fā)送一個(gè)開始信號(hào)，等待DHT11響應(yīng)信號(hào)后，依次讀取濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)和校驗(yàn)和。判斷校驗(yàn)和是否正確后，計(jì)算得到溫度和濕度，并通過串口輸出。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每次讀取數(shù)據(jù)前需要等待1秒鐘。
審核編輯：湯梓紅