基于MSP430和CC2530的溫室大棚數據采集系統設計

設計基于MSP430F149單片機為主控制單元，CC2530為數據采集單元的溫室大棚數據采集系統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，對溫室大棚內的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度進(jìn)行采集，并將采集到的數據發(fā)送給配有CC2530模塊的MSP430F149單片機，由單片機對收到的數據進(jìn)行分析處理并發(fā)給上位機存儲顯示。給出了系統的整體框圖、采集電路和系統軟件流程圖。實(shí)際測試表明，系統能夠準確的完成溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度的采集，功耗較低，具有智能化傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，在智能農業(yè)領(lǐng)域有著(zhù)很好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。

農作物的生長(cháng)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(zhù)計算機技術(shù)和無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，用信息技術(shù)改造農業(yè)尤其是農業(yè)溫室大棚是農業(yè)發(fā)展的必然階段。溫室環(huán)境檢測是實(shí)現溫室智能化控制的一個(gè)重要環(huán)節。如何有效的利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)、通訊技術(shù)和計算機技術(shù)，研制出對溫室溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等多種溫室環(huán)境要素進(jìn)行測量的數據采集系統，是科技工作者面臨的重要課題。中國的智能溫室大棚起步較晚，已有的溫室大棚控制系統采集環(huán)境要素單一，技術(shù)還不夠成熟。因此，設計一套具有自主知識產(chǎn)權的溫室大棚數據采集系統是十分必要的。本文設計了一套使用超低功耗單片機MSP430F149為控制核心的溫室大棚數據采集系統，能夠實(shí)現對溫室大棚內的溫濕度、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據經(jīng)過(guò)分析處理后，通過(guò)USB發(fā)送到上位機進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示與存儲。該系統使用的硬件資源較少，電路工作穩定，功耗較低，便于攜帶和安裝。

1總體設計

系統的總體結構圖如圖1所示。


圖1 系統總體結構圖

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，測出實(shí)時(shí)的溫度、二氧化碳濃度和光照強度，對這些數據進(jìn)行處理后打包發(fā)送給CC2530路由節點(diǎn)，路由節點(diǎn)再將接收到的數據發(fā)送給帶有CC2530無(wú)線(xiàn)模塊的MSP430F149.MSP430F149對路由節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據進(jìn)行分析，濾除掉無(wú)效的數據，將數據通過(guò)USB發(fā)送給上位機存儲顯示。USB端口所起到的作用還有MSP430F149的BSL方式程序下載。對于長(cháng)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；對于長(cháng)度較長(cháng)的溫室大棚，可按照CC2530的一般傳輸距離適當增加CC2530模塊的數量。

2系統硬件設計

2.1接有CC2530無(wú)線(xiàn)模塊的MSP430F149電路

MSP430系列單片機是TI公司1996年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號處理器。以MSP430F149為例，其主要特點(diǎn)有：1）超低功耗。待機電流小于1μA，在RAM數據保持方式時(shí)僅耗電0.1μA，活動(dòng)模式時(shí)耗電250μA.在系統中共有1種活動(dòng)模式（AM）和5種低功耗模式（LP M0-LPM4）。2）強大的處理能力。MSP430F149采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評的精簡(jiǎn)指令集結構，1個(gè)時(shí)鐘周期就可以執行1條指令。3）高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊。內部集成看門(mén)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。

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個(gè)真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。CC2530結合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存8KB RAM和許多其他的強大功能。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具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。CC2530結合了TI公司業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧（Z-StackTM），提供了一個(gè)強大和完整的ZigBee解決方案。

MSP430F149與無(wú)線(xiàn)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

此模塊設計利用了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CC2530沒(méi)有進(jìn)行接收數據時(shí)，為了節省能源，MSP430F149和CC2530均處于休眠狀態(tài)；當定時(shí)時(shí)間到時(shí)，MSP430F149和CC2530從睡眠喚醒，CC2530接收由路由器節點(diǎn)的CC2530傳送來(lái)的數據，并將數據通過(guò)串口傳輸給MSP430F149單片機，單片機對接收的數據進(jìn)行分析處理之后，發(fā)送給上位機存儲顯示；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)繼續接收數據，如此循環(huán)。

2.2 MSP430F149的USB轉串口電路

MSP430F149的USB轉串口電路如圖3所示。


圖3 MSP430F149的USB轉串口電路

MSP430F149的USB轉串口電路主要用于電路初期的測試、與上位機間的數據傳輸。串口芯片采用Silicon公司推出的USB接口與RS232接口轉換器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RS232轉換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制解調器控制信號的異步串行數據總線(xiàn)。其中USB選用目前比較通用Micro-USB，在兩根數據線(xiàn)D+和D-上采用SP0503BAHT保護，用于抑制靜電阻抗和其它瞬態(tài)電壓，幫助保護數據、信號或者控制線(xiàn)路的模擬輸入。

2.3接有傳感器的CC2530無(wú)線(xiàn)模塊電路

接有傳感器的CC2530的無(wú)線(xiàn)模塊電路如圖4所示。此模塊設計利用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)現對溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度的測量。由于溫室大棚內一天之中的環(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)境變量的測量時(shí)間間隔。溫濕度的測量為10分鐘一次，二氧化碳的測量為2小時(shí)一次，光照強度為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10分鐘定時(shí)時(shí)間到時(shí)，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的溫濕度進(jìn)行采樣測量，將數據發(fā)送至CC2530路由節點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續進(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，對溫室大棚內的光照強度進(jìn)行采樣測量，將數據發(fā)送至CC2530路由節點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續進(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，對溫室大棚內的光照強度度進(jìn)行采樣測量，將數據發(fā)送至CC2530路由節點(diǎn)，發(fā)送成功后繼續進(jìn)入睡眠狀態(tài)；這樣就完成了對溫室大棚內3種環(huán)境要素的測量。


圖4 接有傳感器的CC2530電路圖

AM2301數字溫濕度傳感器采用專(zhuān)用的數字模塊采集技術(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(cháng)期穩定性。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)不穩定狀態(tài)，在此期間無(wú)需發(fā)送任何指令。AM2301的引腳2為數據線(xiàn)DATA，用于CC2530與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線(xiàn)數據格式，測量精度分別為溫度16bit，濕度16bit.

TGS4161是由半導體氣體傳感器制造商Figaro幾年前推出的一款長(cháng)期穩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二氧化碳敏感的固態(tài)電解質(zhì)構成，并配有加熱器，以減小環(huán)境溫度改變對測量的影響；TGS4161非常脆弱，一個(gè)持續流經(jīng)高阻抗傳感器核心的電流就會(huì )燒毀它，所以設計中選用TLC271對傳感器進(jìn)行保護。傳感器輸出電平端通過(guò)TLC271與CC2530的AD端口P0_0相連接。

BH1750是一種不區分光源的數字型環(huán)境光強度傳感器，供電電壓為3.3 V，采用兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)接口的集成電路，根據收集的光線(xiàn)強度數據進(jìn)行環(huán)境監測，具有1—65535lx（lx為光照強度單位）的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。設計的模塊中，BH1750的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1_4和P1_5相連接。