一、项目背景
智慧农业是近年来发展迅速的领域，其目的是利用先进的传感技术、物联网技术和云计算技术等，实现自动化、智能化的农业生产管理，并提高农业生产效率和质量。本文基于CC2530设计了一种智慧农业控制系统，采用DHT11模块、BH1750模块和土壤湿度传感器等传感器，通过串口协议将采集的数据上传给上位机显示。
二、系统框架
本系统主要包括一下的组成部分：
【1】采集端：由CC2530单片机和各种传感器构成，负责测量环境温湿度、环境光照强度和土壤湿度等信息，并通过串口协议将采集的数据上传给上位机显示。
【2】上位机：采用Qt进行开发，负责接收串口上传的数据并进行显示。
【3】传输介质：采用串口协议进行数据传输，支持异步通信，具有数据帧结构。
【4】传感器模块：包括DHT11模块、BH1750模块和土壤湿度传感器等，通过采集环境温湿度、环境光照强度和土壤湿度等信息，实现对农业生产环境的监测和控制。
CC2530是德州仪器（Texas Instruments）推出的一款低功耗无线系统芯片，它是基于ZigBee协议的SoC系统，内置了ARM Cortex-M3处理器和IEEE 802.15.4标准无线通信模块，可以实现低速率的无线数据传输和网络互连。CC2530芯片的主要特点是低功耗、高可靠性、灵活性强、易于集成和开发，被广泛应用于物联网、智能家居、智能电表、智能照明等领域的无线数据传输和控制系统中。
BH1750是一款数字式环境光传感器，可用于测量光强度。它具有高分辨率和灵敏度，并且与普通光敏电阻相比，具有更广泛的动态范围和线性性。BH1750可以通过I2C接口连接到微控制器或其他电子设备上，如Arduino、树莓派等。它被广泛应用于夜间照明系统、自动控制系统、安防监控等领域。
DHT11是一种数字温湿度传感器，可以测量环境的温度和相对湿度。它通常被用于家庭和工业自动化等领域，可以在各种应用中监测环境条件。
DHT11有四个引脚：VCC（电源正极）、GND（地）、DATA（数据信号）和NC（未使用）。它可以通过单一总线接口与微控制器连接，并以数字形式输出温度和湿度值。其温度测量范围为0℃至50℃，湿度测量范围为20%RH至90%RH。
在使用DHT11传感器时，需要注意一些问题。例如，在读取数据之前，应将传感器加电并等待1至2秒钟，以使其稳定。此外，在读取数据后，还需要进行数据校验，以确保数据的准确性。
三、系统设计
【1】采集端设计
采集端主要由CC2530单片机和各种传感器构成。其中，温湿度采用DHT11模块，光照强度采用BH1750模块，土壤湿度采用土壤湿度传感器。通过采集这些信息，可以了解农田的环境状态，并根据需要进行相应的调节和控制，保证作物的正常生长。
【2】上位机设计
上位机采用QT进行开发，支持串口通信和数据显示。在数据传输端口的配置上，串口通信采用异步通信方式，支持数据帧结构，即每个数据包由起始位、数据位、校验码、停止位等几部分组成，以确保数据传输的稳定性和可靠性。同时，上位机还实现了数据的动态显示和历史数据的查询导出功能，以方便用户对农田环境数据进行分析和处理。
四、上位机源码实现
以下是Qt串口读取数据的实现代码：
#include
#include
#include
#include
int main(int argc, char *argv[])
{
QCoreApplication a(argc, argv);
QSerialPort serial;
serial.setPortName("COM1"); // 根据实际情况设置端口号
if (!serial.open(QIODevice::ReadWrite)) { // 打开串口
qDebug() << "Failed to open serial port!";
return 1;
}
// 设置串口参数
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)) { // 等待数据
QByteArray data = serial.readAll(); // 读取所有数据
qDebug() << "Received data:" << data; // 打印所有数据
// 解析数据
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();
// 打印解析后的数据
qDebug() << "Temperature:" << temperature << "°C";
qDebug() << "Humidity:" << humidity << "%";
qDebug() << "Illumination:" << illumination << "lux";
qDebug() << "Soil Moisture:" << soilMoisture << "%";
}
}
}
return a.exec();
}
读取数据时，采用了waitForReadyRead函数等待串口数据到达，该函数的参数表示最长等待时间，单位为毫秒。在解析数据时，使用了QString的split函数将数据按逗号分隔为多个字符串，再分别转换为对应的浮点数。
五、CC2530设备端源码
【1】BH1750数据读取
以下是CC2530单片机读取BH1750光敏传感器的值并打印到串口的代码：
#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默认地址
void initUART();
void sendStr(char *str);
void BH1750_init();
uint16 BH1750_read();
void main()
{
// 初始化
halBoardInit();
initUART();
BH1750_init();
while (TRUE)
{
// 读取传感器数据
uint16 illumination = BH1750_read();
char str[16];
sprintf(str, "%d", illumination);
// 将数据打印到串口
sendStr(str);
// 延时等待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; // 开始测量命令
halI2CWrite(BH1750_ADDR, pBuf, 1);
pBuf[0] = 0x10; // 分辨率设置为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;
}
上述代码中，initUART函数用于初始化串口，sendStr函数用于将字符串打印到串口。BH1750_init函数用于初始化BH1750传感器，包括发送开始测量指令和设置分辨率为1lx等操作。BH1750_read函数用于读取传感器数据并计算出光照强度值。在main函数中，使用了一个while循环不断从传感器读取数据，并通过串口打印输出。代码中的延时函数halMcuWaitMs是CC2530提供的延时函数，可以使用其他方式实现延时等待功能。
【2】DHT11温湿度数据读取
以下是CC2530单片机读取DHT11传感器的温度和湿度并打印到串口的代码：
#include "hal_types.h"
#include "hal_board.h"
#include "hal_uart.h"
#define DHT11_PORT 1 // DHT11连接到P1口
// 发送一个DHT11开始信号
void DHT11_Start(void) {
// 设置引脚为输出模式
P1SEL &= ~(1 << DHT11_PORT);
P1DIR |= (1 << DHT11_PORT);
// 拉低引脚
P1_1 = 0;
// 等待至少18ms
HalDelayMs(18);
// 拉高引脚
P1_1 = 1;
// 等待20~40us，并切换到输入模式
HalDelayUs(30);
P1DIR &= ~(1 << DHT11_PORT);
}
// 等待DHT11响应信号
uint8 DHT11_WaitResponse(void) {
uint8 timeOut = 0;
while(P1_1 && timeOut < 200) { // 等待低电平出现，超时返回1
HalDelayUs(1);
timeOut++;
}
if(timeOut >= 200) return 1;
timeOut = 0;
while(!P1_1 && timeOut < 200) { // 等待高电平出现，超时返回1
HalDelayUs(1);
timeOut++;
}
if(timeOut >= 200) return 1;
return 0;
}
// 读取一个位
uint8 DHT11_ReadBit(void) {
uint8 timeOut = 0;
while(P1_1 && timeOut < 200) { // 等待低电平出现，超时返回1
HalDelayUs(1);
timeOut++;
}
timeOut = 0;
while(!P1_1 && timeOut < 200) { // 等待高电平出现，超时返回1
HalDelayUs(1);
timeOut++;
}
HalDelayUs(40); // 等待40us
if(P1_1) return 1; // 如果在40us内未出现低电平，返回1，表示数据错误
return 0;
}
// 读取一个字节
uint8 DHT11_ReadByte(void) {
uint8 byte = 0;
uint8 i;
for(i=0;i<8;i++) {
byte <<= 1;
byte |= DHT11_ReadBit();
}
return byte;
}
// 从DHT11读取温度和湿度数据
void DHT11_ReadData(uint8* temperature, uint8* humidity) {
uint8 data[5];
// 发送开始信号
DHT11_Start();
// 等待响应信号
if(DHT11_WaitResponse()) {
*temperature = 0;
*humidity = 0;
return;
}
// 读取数据
data[0] = DHT11_ReadByte(); // 湿度整数部分
data[1] = DHT11_ReadByte(); // 湿度小数部分
data[2] = DHT11_ReadByte(); // 温度整数部分
data[3] = DHT11_ReadByte(); // 温度小数部分
data[4] = DHT11_ReadByte(); // 校验和
// 计算校验和
uint8 sum = data[0] + data[1] + data[2] + data[3];
if(sum != data[4]) {
*temperature = 0;
*humidity = 0;
return;
}
// 计算温度和湿度
*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;
// 设置串口传输格式
uartConfig.rx.maxBufSize = 128;
uartConfig.tx.maxBufSize = 128;
uartConfig.idleTimeout = 6;
uartConfig.intEnable = TRUE;
uartConfig.callBackFunc = NULL;
HalUARTOpen(HAL_UART_PORT_0, &uartConfig);
}
// 打印温度和湿度到串口
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) {
// 从DHT11读取数据
DHT11_ReadData(&temperature, &humidity);
// 打印数据到串口
PrintData(temperature, humidity);
// 等待1秒钟
HalDelayMs(1000);
}
}
这段代码使用CC2530单片机通过DHT11传感器读取环境温度和湿度，并将其打印到串口。具体实现过程为，首先发送一个开始信号，等待DHT11响应信号后，依次读取湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数和校验和。判断校验和是否正确后，计算得到温度和湿度，并通过串口输出。为了保证数据的准确性，每次读取数据前需要等待1秒钟。
审核编辑：汤梓红