基于MSP430的熱帶花卉無線溫濕度傳感器節(jié)點設(shè)計

黃建清，劉德兵，袁 琦，高家寶

（1.海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院，海南 儋州 571737；2.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 ?？?570228）

基于MSP430的熱帶花卉無線溫濕度傳感器節(jié)點設(shè)計

黃建清1，劉德兵1，袁 琦2，高家寶1

（1.海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院，海南 儋州 571737；2.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

為了實現(xiàn)熱帶花卉環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測，文中設(shè)計了一種以MSP430F149為核心的無線溫濕度傳感器節(jié)點。節(jié)點通過傳感器AM2306采集溫濕度數(shù)據(jù)、nRF905射頻芯片無線發(fā)送數(shù)據(jù)、MAX3232芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC機、LT1129-3.3和LT1129-5組成的電路提供3.3 V和5 V電源，節(jié)點軟件以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，采用單片機C語言開發(fā)。節(jié)點具有體積小、功耗低、測量準(zhǔn)確的特點，測試表明，節(jié)點平均工作電流約為0.78 mA，溫度和濕度的最大相對誤差分別為5.78%和1.37%，可以滿足熱帶花卉數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求。

熱帶花卉；MSP430F149；溫濕度；傳感器節(jié)點

熱帶花卉是一種很好的觀賞植物，具有枝葉寬大，花朵絢麗多彩，深受人們喜愛。但熱帶花卉對栽培環(huán)境溫度、濕度要求較高，溫度過低會使花卉生長緩慢、光合作用減弱、生理功能失調(diào)，甚至枯萎；溫度過高則使花卉呼吸作用加快，養(yǎng)分消耗加大，植株生長緩慢，嚴(yán)重時造成植株死亡[1]。如紅掌性喜溫暖濕潤氣候，忌干風(fēng)烈日，不耐低溫和高溫，生育適溫18～30℃，13℃以下容易出現(xiàn)寒害，高于32℃則植株生長不良、停止生長甚至死亡[2-3]?？諝鉂穸纫彩怯绊懟ɑ苌L發(fā)育的重要因素，空氣濕度過大，易使枝葉徒長，花瓣霉?fàn)€、落花，并易引起病蟲害蔓延；空氣濕度過低又使花期縮短，花色變淡[4]。如蝴蝶蘭對空氣濕度要求達(dá)到60%以上，當(dāng)空氣濕度過低，葉片會失去光澤，逐漸萎蔫下垂，甚至死亡[5]。為此，實現(xiàn)實時、快速、準(zhǔn)確、連續(xù)地監(jiān)測花卉生長環(huán)境溫濕度對于指導(dǎo)花卉生產(chǎn)與管理、提高花卉生產(chǎn)效率具有重要意義。

傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測方法是利用溫度表、濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工定期巡回查看來測量和記錄數(shù)據(jù)，這種人工測試方法費時費力、效率低、測試數(shù)據(jù)誤差大，并且不能實現(xiàn)溫濕度動態(tài)變化的實時監(jiān)測[6-7]。而采用串行總線、現(xiàn)場總線的溫室自動監(jiān)測方法卻需要鋪設(shè)大量的電纜線，布線困難、施工難度大，且線路易受破壞和腐蝕、維護(hù)成本高、監(jiān)測范圍有限[8-9]。為此，文中設(shè)計了一種無線傳感器節(jié)點，通過傳感器AM2306采集溫濕度數(shù)據(jù)，由MSP430F149單片機加工處理數(shù)據(jù)，并通過nRF905將采集數(shù)據(jù)無線發(fā)送至監(jiān)測主機，實現(xiàn)熱帶花卉生長環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測。

1 無線傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點硬件包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、串口通信和電源模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

1.1 處理器模塊

無線傳感器節(jié)點需要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送等多項任務(wù)，在監(jiān)測過程中會消耗較多的能量，而節(jié)點采用能量有限的電池供電，因此，在處理器選擇上應(yīng)選擇低功耗單片機，以延長節(jié)點的使用周期。文中選用TI公司的MSP430F149單片機，該單片機突出的優(yōu)點是低電源電壓和超低功耗，支持1.8～3.6 V電壓供電，全速運行時的電流僅為280 μA，休眠狀態(tài)微處理器的電流只有0.1 μA，提供5種低功耗模式，特別適合用于低功耗需求的場合[10-11]。

1.2 傳感器模塊

考慮花卉溫室數(shù)據(jù)精度和變化范圍要求，溫濕度測量采用廣州樂享電子有限公司的AM2306傳感器。AM2306是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。AM2306溫度的測量精度±1℃，濕度的測量精度為±2%RH。AM2306的單總線引腳DATA連接5.1 kΩ上拉電阻，同時與單片機P2.0端口連接，連接電路如圖2所示。

圖2 AM2306與MSP430F149接口電路

1.3 無線通信模塊

無線通信模塊是采集節(jié)點的重要組成部分，它是節(jié)點中各模塊能量消耗最主要的部分[12]。文中采用低功耗、發(fā)射功率可調(diào)的射頻芯片 nRF905，nRF905工作電壓為1.9～3.6 V，以-10 dBm輸出功率發(fā)射時電流只有11 mA，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，關(guān)機模式時的電流為2.5 μA，并且內(nèi)建空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(xiàn)節(jié)能[13]。

nRF905有3組接口：SPI接口、狀態(tài)輸出口和模式控制接口。SPI接口包括CSN、SCK、MISO、MOSI 4個引腳，分別與單片機的P1.0、P1.2、P1.6、P1.4引腳連接，用于傳輸數(shù)據(jù)。狀態(tài)輸出口包括CD、AM、DR 3個引腳，分別與單片機的P2.4、P2.2、P2.0引腳連接，用于監(jiān)測nRF905的狀態(tài)。模式控制接口包括TRX_CE、TX_EN、PWR_UP3個引腳，分別與單片機的P3.0、P3.2、P2.6引腳連接，用于決定nRF905的工作模式。nRF905與MSP430F149連接框圖如圖3所示。

圖3 nRF905與MSP430F149連接框圖

1.4 電源模塊

考慮室外監(jiān)測需求，電源模塊采用1 200 mAh、3.2 V的磷酸鐵鋰電池供電。2節(jié)鋰電池串聯(lián)后通過LT1129-3.3和LT1129-5分別轉(zhuǎn)換為3.3 V和5 V，3.3 V作為單片機MSP430F149和射頻芯片nRF905的工作電壓，LT1129-5轉(zhuǎn)換的5 V電壓接入繼電器，繼電器輸出電壓作為AM2306的工作電壓。

2 軟件設(shè)計

2.1 溫濕度測量

文中設(shè)定每隔30 min讀取1次溫濕度傳感器AM2306數(shù)據(jù)，AM2306采用單總線與 MSP430F149進(jìn)行通信，首先MSP430F149通過P4.0口拉低DATA總線，并保持 500 μs以上作為開始信號，然后拉高總線20～40 μs等待AM2306發(fā)出響應(yīng)信號[14-15]。AM2306監(jiān)測到總線上的開始信號后，通過DATA引腳輸出80 μs的低電平作為應(yīng)答信號，然后拉高總線80 μs后發(fā)出1次40位測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)高位先出，數(shù)據(jù)格式為:8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗碼，其中校驗碼數(shù)據(jù)為前4個字節(jié)之和，AM2306時序如圖4所示。

圖4 AM2306時序圖

2.2 無線發(fā)送和接收

單片機無線發(fā)送數(shù)據(jù)時，先置 nRF905處于接收模式，通過判斷CD引腳狀態(tài)確定是否有相同頻率的數(shù)據(jù)正在發(fā)送，然后置 nRF905處于空閑模式后，將發(fā)送數(shù)據(jù)寫入nRF905相應(yīng)的寄存器中，最后置nRF905處于發(fā)送模式，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去。單片機無線接收數(shù)據(jù)時，置nRF905處于接收模式，然后睡眠等待。當(dāng)nRF905監(jiān)測到有效數(shù)據(jù)時，DR引腳置高觸發(fā)單片機進(jìn)入接收中斷，此時單片機置 nRF905處于空閑模式，將nRF905接收的數(shù)據(jù)讀出，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收流程圖

3 實驗測試

3.1 節(jié)點功耗

設(shè)置傳感器節(jié)點每30 min測量一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)測量時間15 s，無線接收15 s，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包長度為32字節(jié)，每個節(jié)點平均發(fā)送5個數(shù)據(jù)包，由于nRF905數(shù)據(jù)傳輸速率為50 kbps，所以節(jié)點發(fā)送5個數(shù)據(jù)包的時間為（5×32×8）/50 000≈25 ms，節(jié)點睡眠時間為30×60-（15+15+0.005×5）=1 769.975 s，用萬用表測量節(jié)點在不同工作狀態(tài)的電流，測量3次取平均值，測量結(jié)果見表1。

表1 節(jié)點在不同工作狀下的電流

設(shè)節(jié)點的工作周期為T，睡眠時間為TS，數(shù)據(jù)采集時間為TD，數(shù)據(jù)接收時間為TRX，數(shù)據(jù)發(fā)送時間為TTX，則在一個工作周期內(nèi)，節(jié)點的平均工作電流為：

將表1數(shù)據(jù)代入上式可得節(jié)點平均工作電流約為0.78 mA，若以3.6 V，3 000 mAh電池供電，節(jié)點的生命周期約為160天，可以滿足現(xiàn)場環(huán)境的實際應(yīng)用。

3.2 測量精度

在大棚的不同位置放置多個傳感器節(jié)點，PC機旁放置一個匯聚節(jié)點，組成無線網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點每10 min測量一次數(shù)據(jù)，并將測量數(shù)據(jù)打包，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至接收節(jié)點，接收節(jié)點通過RS232串口將接收數(shù)據(jù)送至PC上顯示。表2為傳感器節(jié)點與HTC-1溫濕度計的測量數(shù)據(jù)，HTC-1溫濕度計的溫度測量精度為±1%℃，濕度測量精度為±5% RH。從表中的數(shù)據(jù)可知，溫度和濕度的最大相對誤差分別為5.78%和1.37%，可以滿足熱帶花卉數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求。

表2 傳感器節(jié)點與HTC-1溫濕度計的測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

根據(jù)熱帶花卉大棚信息監(jiān)測的需求，本文設(shè)計了一種無線溫濕度傳感器節(jié)點。節(jié)點硬件處理器模塊采用低功耗單片機MSP430F149，傳感器模塊采用數(shù)字溫濕度復(fù)合傳感器AM2306，無線通信模塊采用低功耗、發(fā)射功率可調(diào)的射頻芯片nRF905，電源模塊以LT1129-3.3、LT1129-5組成的電路提供3.3 V和5 V。節(jié)點軟件以IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)溫濕度測量、數(shù)據(jù)處理、無線接收和無線發(fā)送等功能。節(jié)點具有體積小、功耗低、測量準(zhǔn)確的特點，測試表明，節(jié)點平均工作電流約為0.78 mA，溫度和濕度的最大相對誤差分別為5.78%和1.37%，可以滿足熱帶花卉數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求。

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Wireless sensor node based on MSP430 for monitoring temperature and humidity in the greenhouse of tropical flowers

HUANG Jian-qing1，LIU De-bing1，YUAN Qi2，GAO Jia-bao1
（1.College of Applied Science and Technology，Hainan University，Danzhou 571737，China；2.College of Mechanical&Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

To collect data in the greenhouse of tropical flowers，the paper designs a wireless sensor node to monitor temperature and humidity.The node hardware platform is composed of processing module，sensor module，wireless communication，serial communication and power module.The processing module uses a MSP430F149 as the processing core.The sensor module uses AM2306 to measure temperature and humidity in the greenhouse of tropical flowers.The wireless communication module uses an RF905 RF chip and its periphery circuits to receive and send data..The serial communication module uses an MAX3232 chip to send data to computer.And the power module uses LT1129-3.3 chip，LT1129-5 chip and their periphery circuits to supply 3.3 V and 5 V voltage for node modules.The node software is compiled using C Language in IAR Embedded Workbench.The results demonstrate that the node average operating current is 0.78 mA，and the maximum relative errors of temperature and humidity are about 5.78%and 1.37%respectively.It indicates that the node with characteristics of small volume，low cost and high flexibility，can implement real-time monitoring of parameters in the greenhouse of tropical flowers，.

tropical flowers；MSP430F149；temperature and humidity；sensor node

TN92

：A

：1674－6236（2017）06-0123-04

2016-05-16稿件編號：201605145

海南省自然科學(xué)基金項目（20153096）

黃建清（1972—），女，湖南益陽人，博士，講師。研究方向：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用。