MSP430F149的無線溫濕度環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)＊

劉承橋，張耀南，馮克庭，李柏年，楊永如

（1.蘭州大學 信息科學與工程學院，蘭州730000；2.中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所；3.甘肅省資源環(huán)境科學數(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心）

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展和各種大數(shù)據(jù)中心的建立，各種數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)特別是無線數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)應運而生，其中，無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)就是一種非常具有代表性的無線監(jiān)測系統(tǒng)。雖然，無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能都很簡單，但是，其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研工作中，具有很高的使用價值。目前，無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)主要由中心控制單元、溫濕度采集單元和無線數(shù)據(jù)傳輸單元構(gòu)成。其中，中心控制單元大都采用8位單片機作為主控制器，如51單片機、AVR單片機、PIC單片機等；溫濕度采集單元一般采用濕敏電阻和熱敏電阻，或者采用集成溫濕度傳感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等；無線數(shù)據(jù)傳輸單元多采用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

這種系統(tǒng)成本較低、性能穩(wěn)定，能夠滿足人們的基本需求。但是隨著社會和科技的快速發(fā)展，這種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)精確度、數(shù)據(jù)監(jiān)測的實時性和系統(tǒng)功耗方面已經(jīng)逐漸不能滿足人們的需求。如今，隨著大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，各種處理速度更快、功耗更低的單片機（如MSP430F149）在微控制系統(tǒng)中得到廣泛使用，測量范圍更寬、精度更高、功耗更低的集成溫濕度傳感器（如SHT21）越來越受到人們的青睞。此外，隨著移動通信技術(shù)的不斷成熟，特別是GPRS的問世，使數(shù)據(jù)的實時遠程傳輸變得簡單可靠[1，2]。本文闡述了基于低功耗單片機MSP430F149、高精度低功耗溫濕度傳感器SHT21和GPRS的無線溫濕度實時監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理和使用情況。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由主控制器、時鐘單元、報警單元、溫濕度測量單元和數(shù)據(jù)傳輸單元5部分構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器

系統(tǒng)選用低功耗單片機MSP430F149作為主控制器。MSP430F149單片機是TI公司推出的一款16位微處理器，支持1.8～3.6 V電壓供電，全速運行時的電流僅為280μA，休眠狀態(tài)微處理器的電流只有0.1μA；支持5種省電模式，同時具有很快的喚醒速度，喚醒時間僅為6μs；片內(nèi)集成12位A/D轉(zhuǎn)換器、2種定時器、2個UART通信端口以及比較器。MSP430F149單片機采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，只有簡潔的27條指令，大量的指令均為模擬指令，眾多的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算，這些內(nèi)核指令均為單周期指令，功能強、運行速度快；采用Flash型程序存儲器和JTAG技術(shù)，這就使得開發(fā)工具變得簡便且價格相對低廉，還能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程。MSP430F149單片機的運行環(huán)境溫度范圍為-40～＋85℃[3-4]。

與傳統(tǒng)8位微處理器相比，MSP430F149單片機功耗低得多，處理能力強大得多，開發(fā)環(huán)境更加方便高效。此外，MSP430F149單片機還具有高性能模擬技術(shù)和更為豐富的片上外圍模塊，工作穩(wěn)定。用MSP430F149單片機作為主控制器，對整個系統(tǒng)的功耗和處理速度都有很大的改善，而且大大縮短了開發(fā)周期。

1.2 時鐘單元

時鐘單元的主要功能是計時，為整個系統(tǒng)工作提供一個系統(tǒng)時間，系統(tǒng)采用時鐘/日歷芯片PCF8563計時。PCF8563是Philips公司推出的一款工業(yè)級實時時鐘/日歷芯片，含I2C總線接口，功耗極低，具有報警功能、定時功能、時鐘輸出功能和中斷輸出功能，能夠完成各種復雜的定時任務。該系統(tǒng)主要用到PCF8563的時鐘輸出功能。

1.3 溫濕度測量單元

溫濕度測量單元的功能是測量系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度。系統(tǒng)采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT21測量溫濕度。SHT21是Sensirion公司生產(chǎn)的一款高性能、高精度的數(shù)字溫濕度傳感器，包含一個放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元。SHT21的供電電壓為3.3 V，工作溫度范圍為-40～＋125℃；溫度測量范圍為-40～＋125℃，靈敏度為0.01℃，測量精度為±0.3℃（25～＋42℃）[5-6]；濕度靈敏度為0.04%RH，測量精度為±2%RH（20%～80%RH）[5-6]。正常工作情況下，SHT21的功耗只有0.9μW[5]。

SHT21是命令觸發(fā)型傳感器，當主控制器向其發(fā)送0x F3時，觸發(fā)其測量溫度，而當主控制器向其發(fā)送0x F5時，觸發(fā)其測量濕度[5]。SHT21輸出的是經(jīng)過標定的數(shù)字信號，標準I2C總線格式。主控制器可直接通過I2C總線向SHT21發(fā)送命令或者從SHT21讀取數(shù)據(jù)，操作比較方便。

與傳統(tǒng)的溫濕度傳感器相比，SHT21的量程更大、精度更高、功耗更低、操作更簡便。使用SHT21測量溫濕度，提高了數(shù)據(jù)的準確度，降低了系統(tǒng)的功耗，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.4 報警單元

報警單元的功能是，當系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度超出系統(tǒng)預設(shè)置的溫濕度的上限值時，發(fā)出急促的報警聲響，主要元件是蜂鳴器。

1.5 數(shù)據(jù)傳輸單元

數(shù)據(jù)傳輸單元的功能是當系統(tǒng)所在環(huán)境的溫濕度超出系統(tǒng)設(shè)置的溫濕度閾值時，將測得的溫濕度的值及測量時間發(fā)送到移動終端（如手機），告知使用者被監(jiān)測的環(huán)境溫濕度超限，需要及時處理。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，系統(tǒng)采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)。

GPRS（General Packet Radio Service），通用分組無線服務網(wǎng)絡(luò)是在原有GSM基礎(chǔ)之上加入SGSN、GGSN和PCU而生成的無線網(wǎng)絡(luò)。GPRS具有以下特點：

①利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，傳輸速率可以達到114 kbps[7]。

②采用分組交換技術(shù)，每個用戶可以同時占用多個無線信道，而每個無線信道又可同時被多個用戶共享，實現(xiàn)信道資源更加合理有效的利用[7]。

③具備立即聯(lián)機的性質(zhì)，即客戶建立一個新的連接，幾乎無需任何額外時間。也就是說，用戶在利用手機網(wǎng)上沖浪或者進行通話時，也能夠接收外界發(fā)來的短消息[7]。

④按數(shù)據(jù)量收費[8]，用戶只有在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)時占用網(wǎng)絡(luò)資源，運營商才會收費，數(shù)據(jù)量越大，收費越多，反之越少。所以，用戶只需關(guān)心數(shù)據(jù)量的多少，而無需關(guān)心通信時間的長短。本系統(tǒng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，費用較低。

在硬件電路方面，絕大部分GPRS模塊向外提供RS-232C接口，用戶可以在嵌入式操作系統(tǒng)中編寫相應的PPP腳本撥號程序，直接驅(qū)動GPRS調(diào)制解調(diào)器連接上GPRS骨干網(wǎng)和Internet，這樣，所有采集到的數(shù)據(jù)就可以通過TCP/IP通道發(fā)送到任意一個具有GPRS網(wǎng)絡(luò)私有IP地址或公網(wǎng)IP地址的主機上去，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的無線傳輸[9]。如今，隨著電子技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于GPRS的無線傳輸模塊逐漸得到了廣泛使用。這種模塊是在原有的GPRS模塊的基礎(chǔ)上加上外圍電路設(shè)計而成的，通過串口與控制器通信，其PPP腳本撥號程序已由開發(fā)人員寫好。因此，使用者只需配置模塊的參數(shù)、正確操作串口，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。系統(tǒng)采用可調(diào)等時間間隔測量模式，極大地增強了系統(tǒng)工作的靈活性。系統(tǒng)啟動后，使用者根據(jù)實際需要設(shè)定系統(tǒng)的測量間隔時間T和溫濕度的閾值。每隔時間T，系統(tǒng)會連續(xù)測量3次溫濕度，以保證測量的準確度。之后，系統(tǒng)會將測量的溫濕度的值與預設(shè)的溫濕度的閾值進行比較。如果所測得的溫濕度的值超過設(shè)定的閾值，則系統(tǒng)會立即將機房編號、測量時間、溫濕度值發(fā)送給移動終端，并提示工作人員機房需要維護；否則，系統(tǒng)只在規(guī)定的時間將機房編號、測量時間、溫濕度值和系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)送給移動終端。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3 系統(tǒng)運行結(jié)果

將該系統(tǒng)安裝在中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所大數(shù)據(jù)中心1號機房，測量間隔時間設(shè)置為10 s，溫度閾值為設(shè)定為40℃，濕度閾值設(shè)定為10%RH。若環(huán)境溫度未超過40℃且濕度未低于10%RH，則系統(tǒng)將會在上午十點將機房編號、測量時間、溫濕度值和系統(tǒng)運行狀態(tài)（“running！”）發(fā)送給移動終端；否則，系統(tǒng)立即將機房編號、測量時間、溫濕度值和相關(guān)提示信息（“Please check！”）發(fā)送給移動終端。系統(tǒng)運行4個月，部分結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 移動終端接收到的數(shù)據(jù)（1）

圖4 移動終端接收到的數(shù)據(jù)（2）

結(jié) 語

該系統(tǒng)選用低功耗器件，采用可調(diào)等時間間隔測量模式，并利用GPRS技術(shù)，成功實現(xiàn)了對環(huán)境溫濕度的無線實時監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、測量范圍寬、精確度較高、測量模式靈活、實時性較強，能為管理者提供較為精確的實時數(shù)據(jù)，不僅可用于機房，還可用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)（比如溫室大棚）和工業(yè)生產(chǎn)（比如生產(chǎn)車間溫濕度監(jiān)控）。系統(tǒng)適用范圍較廣，具有一定的推廣和使用價值。

[1]馬洪偉，盛翊智.GPRS技術(shù)在無線傳輸數(shù)據(jù)中的應用[J].微機發(fā)展，2005，3（3）：101.

[2]劉國錦，劉新霞.GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的應用[J].信息化研究，2010，36（2）：1.

[3]李彬，王朝陽，卜濤，等.基于MSP430F149的最小系統(tǒng)設(shè)計[J].應用天地，2009，28（12）：74.

[4]Texas Instruments.MSP430x13x，MSP430x14x，MSP430x14x1 MIXED SIGNALMICROCONTROLLER[EB/OL].[2014-11].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/slas2 72f/slas272f.pdf.

[5]Sensirion.Datasheet SHT21[EB/OL].[2014-11].http：//www.sensirion.com/fileadmin/user ＿upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion ＿ Humidity ＿SHT21＿Datasheet＿V4.pdf.

[6]Sensirion.SHT21數(shù)字濕度和溫度傳感器[J].傳感器世界，2010（5）：46.

[7]劉云浩.物聯(lián)網(wǎng)導論[M].2版.北京：科學出版社，2013：148.

[8]季堃，徐崢.基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2006，22（8-2）：242-243.

[9]周云輝，范立志.基于GPRS的無線監(jiān)控管理系統(tǒng)中遠程終端撥號接入技術(shù)的實現(xiàn)[J].湖南理工學院學報：自然科學版，2004，17（3）：66-67.