基于MSP430和CC2530的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳樹成，楊志勇，王建佳

（1.成都信息工程學(xué)院 四川 成都 610225；2.中國(guó)華云氣象科技集團(tuán)公司 北京 100081）

農(nóng)作物的生長(zhǎng)受到自然條件的影響，如溫濕度、二氧化碳濃度和光照等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)尤其是農(nóng)業(yè)溫室大棚是農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然階段[1]。溫室環(huán)境檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)溫室智能化控制的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如何有效的利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，研制出對(duì)溫室溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等多種溫室環(huán)境要素進(jìn)行測(cè)量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是科技工作者面臨的重要課題[2]。中國(guó)的智能溫室大棚起步較晚，已有的溫室大棚控制系統(tǒng)采集環(huán)境要素單一，技術(shù)還不夠成熟。因此，設(shè)計(jì)一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是十分必要的。本文設(shè)計(jì)了一套使用超低功耗單片機(jī)MSP430F149為控制核心的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度和光照實(shí)時(shí)采集傳輸，由主控單元將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析處理后，通過(guò)USB發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)。該系統(tǒng)使用的硬件資源較少，電路工作穩(wěn)定，功耗較低，便于攜帶和安裝。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

CC2530連接溫濕度傳感器AM2301、二氧化碳傳感器TGS4161和光照傳感器BH1750，測(cè)出實(shí)時(shí)的溫度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后打包發(fā)送給CC2530路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)再將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給帶有CC2530無(wú)線模塊的MSP430F149。MSP430F149對(duì)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，濾除掉無(wú)效的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)USB發(fā)送給上位機(jī)存儲(chǔ)顯示。USB端口所起到的作用還有MSP430F149的BSL方式程序下載。對(duì)于長(zhǎng)度小于50米的溫室大棚，可以選擇合適的位置放置一個(gè)接有傳感器的CC2530模塊；對(duì)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的溫室大棚，可按照CC2530的一般傳輸距離適當(dāng)增加CC2530模塊的數(shù)量。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 接有CC2530無(wú)線模塊的MSP430F149電路

MSP430系列單片機(jī)是TI公司1996年開始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器。以MSP430F149為例，其主要特點(diǎn)有：1)超低功耗。待機(jī)電流小于1 μA，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)僅耗電0.1 μA，活動(dòng)模式時(shí)耗電250 μA。在系統(tǒng)中共有1種活動(dòng)模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0-LPM4）。2)強(qiáng)大的處理能力。MSP430F149采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，1個(gè)時(shí)鐘周期就可以執(zhí)行1條指令。3)高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。內(nèi)部集成看門狗定時(shí)器、12位ADC、DMA控制器、基本定時(shí)器和串行通信（UART、IIC、SPI）等[3]。

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存8KB RAM和許多其他的強(qiáng)大功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。CC2530結(jié)合了TI公司業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM）,提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的ZigBee解決方案。

MSP430F149與無(wú)線模塊CC2530的電路連接如圖2所示。

圖2 MSP430F149與CC2530電路連接原理圖Fig. 2 Circuit diagram of MSP430F149 and CC2530

此模塊設(shè)計(jì)利用了MSP430F149的超低功耗特點(diǎn)，通過(guò)串行通信UART模式與ZigBee相連接。當(dāng)CC2530沒有進(jìn)行接收數(shù)據(jù)時(shí)，為了節(jié)省能源，MSP430F149和CC2530均處于休眠狀態(tài)；當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，MSP430F149和CC2530從睡眠喚醒，CC2530接收由路由器節(jié)點(diǎn)的CC2530傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給MSP430F149單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理之后，發(fā)送給上位機(jī)存儲(chǔ)顯示；之后兩者又同時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一次喚醒時(shí)繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。

2.2 MSP430F149的USB轉(zhuǎn)串口電路

MSP430F149的USB轉(zhuǎn)串口電路如圖3所示。

圖3 MSP430F149的USB轉(zhuǎn)串口電路Fig. 3 USB to serial circuit of MSP430F149

MSP430F149的USB轉(zhuǎn)串口電路主要用于電路初期的測(cè)試、與上位機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸。串口芯片采用Silicon公司推出的USB接口與RS232接口轉(zhuǎn)換器CP2102。CP2102是一款高度集成的USB-UART橋接器，提供一個(gè)使用最小化元件和PCB空間來(lái)實(shí)現(xiàn)RS232轉(zhuǎn)換USB的簡(jiǎn)便解決方案，包含了USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的異步串行數(shù)據(jù)總線[4]。其中USB選用目前比較通用Micro-USB，在兩根數(shù)據(jù)線D+和D-上采用SP0503BAHT保護(hù)，用于抑制靜電阻抗和其它瞬態(tài)電壓，幫助保護(hù)數(shù)據(jù)、信號(hào)或者控制線路的模擬輸入。

2.3 接有傳感器的CC2530無(wú)線模塊電路

接有傳感器的CC2530的無(wú)線模塊電路如圖4所示。此模塊設(shè)計(jì)利用CC2530連接溫濕度傳感器AM2301、二氧化碳傳感器TGS4161和光照傳感器BH1750，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度的測(cè)量。由于溫室大棚內(nèi)一天之中的環(huán)境變化不是特別明顯，通過(guò)實(shí)際考察，推算出各個(gè)環(huán)境變量的測(cè)量時(shí)間間隔。溫濕度的測(cè)量為10分鐘一次，二氧化碳的測(cè)量為2小時(shí)一次，光照強(qiáng)度為30分鐘一次，其它時(shí)間模塊均處于低功耗的睡眠狀態(tài)。當(dāng)10分鐘定時(shí)時(shí)間到時(shí)，模塊從睡眠喚醒，對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行采樣測(cè)量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530路由節(jié)點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續(xù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；30分鐘定時(shí)時(shí)間到時(shí)，模塊從睡眠喚醒，對(duì)溫室大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度進(jìn)行采樣測(cè)量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530路由節(jié)點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續(xù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；2小時(shí)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，模塊從睡眠喚醒，對(duì)溫室大棚內(nèi)的光照強(qiáng)度度進(jìn)行采樣測(cè)量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至CC2530路由節(jié)點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續(xù)進(jìn)入睡眠狀態(tài)；這樣就完成了對(duì)溫室大棚內(nèi)3種環(huán)境要素的測(cè)量。

AM2301數(shù)字溫濕度傳感器采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。AM2301的供電電壓為5 V，為4針單排引腳封裝。傳感器上電之后，要等待1 s以越過(guò)不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令[5]。AM2301的引腳2為數(shù)據(jù)線DATA，用于CC2530與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，測(cè)量精度分別為溫度16bit，濕度16bit。

圖4 接有傳感器的CC2530電路Fig. 4 Circuit of CC2530 connected with sensors

TGS4161是由半導(dǎo)體氣體傳感器制造商Figaro幾年前推出的一款長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的二氧化碳傳感器，供電電壓為5 V，它由置于襯墊上的對(duì)二氧化碳敏感的固態(tài)電解質(zhì)構(gòu)成，并配有加熱器，以減小環(huán)境溫度改變對(duì)測(cè)量的影響；TGS4161非常脆弱，一個(gè)持續(xù)流經(jīng)高阻抗傳感器核心的電流就會(huì)燒毀它[6],所以設(shè)計(jì)中選用TLC271對(duì)傳感器進(jìn)行保護(hù)。傳感器輸出電平端通過(guò)TLC271與CC2530的AD端口P0_0相連接。

BH1750是一種不區(qū)分光源的數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器，供電電壓為3.3 V，采用兩線式串行總線接口的集成電路，根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，具有1-65535lx（lx為光照強(qiáng)度單位）的高分辨率，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化[7]。設(shè)計(jì)的模塊中，BH1750的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1_4和P1_5相連接。

2.4 鋰電池供電電路

考慮到在溫室大棚內(nèi)使用CC2530需要在無(wú)人值守的情況下工作，連接傳感器的CC2530以及CC2530路由節(jié)點(diǎn)均使用鋰電池供電。鋰電池供電電路如圖5所示，左邊部分為鋰電池轉(zhuǎn)3.3 V電路，右邊部分為鋰電池轉(zhuǎn)5 V電路，轉(zhuǎn)換芯片選用LTC3440。

本設(shè)計(jì)采用市面上最常用的鋰電池作為電源，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3.6 V。鋰離子電池的放電曲線平坦，可以保證CC2530模塊收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)具有更好的線性特征。Linear Technology公司的LTC3440是一種高效率、固定頻率、降壓-升壓型的DC/DC轉(zhuǎn)換器，能夠用單個(gè)電感器調(diào)節(jié)輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電壓，其輸入和輸出的電壓范圍均為2.5～5.5 V。LTC3440在所有的工作模式下都具備連續(xù)傳送功能，非常適用于延長(zhǎng)單節(jié)鋰電池或者鎳氫電池的工作時(shí)間[8]。其中鋰電池轉(zhuǎn)3.3 V電壓用來(lái)給CC2530無(wú)線模塊、BH1750傳感器供電，鋰電池轉(zhuǎn)5 V用來(lái)給TGS4161傳感器和AM2301傳感器供電，如果接有CC2530模塊的MSP430F149模塊不與上位機(jī)間進(jìn)行通訊，也可采用鋰電池轉(zhuǎn)3.3 V供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中MSP430F149的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30，CC2530的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation。CC2530所使用的協(xié)議棧為TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示，其中左邊為與CC2530相連接的MSP430F149軟件流程圖，右邊為連接傳感器的CC2530數(shù)據(jù)采集發(fā)送流程圖。

圖5 鋰電池供電電路Fig. 5 Lithium battery power supply circuit

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig. 6 System software flowchart

4 結(jié) 論

該溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以MSP430F149與CC2530為核心硬件資源，各電路工作穩(wěn)定，系統(tǒng)搭建后無(wú)需人員長(zhǎng)期值守，各采集模塊獨(dú)立工作。實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集到溫室大棚內(nèi)的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并能夠成功的發(fā)送給MSP430F149單片機(jī)，系統(tǒng)通過(guò)休眠機(jī)制大大降低了系統(tǒng)的功耗，在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展空間。

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