基于MSP430的環境監測標準化平臺設計

摘要：為進行多樣性的環境監測以綜合分析環境變化，設計了一種基于MSP430微處理器的環境監測標準化平臺，MSP430微處理器的節點之間通過Zigbee技術組成物聯網分散在檢測區域，能夠對該片區域進行環境監測。同時，該節點還擴展和標準化了各種接口，使更多的傳感器能夠方便地接入該節點。對環境綜合信息監測平臺的研究具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：環境監測；Zigbee；MSP430；標準化

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）18-4502-05

宏觀的大片區域，如農田、森林、草原等，環境因子復雜，通常包括CO2濃度、有毒氣體的濃度（SO2、CO濃度）、溫濕度、光照度、煙霧濃度以及土壤濕度等[1]。要監測這些環境因子以達到對環境的綜合分析就需要多種傳感器。然而在實際中，各種傳感器有著不同的數據通信接口（如I2C、SPI接口），且輸出電壓電平、電流電平也不盡相同。因此，不同的傳感器很難方便地接入到同一個監測節點，從而給環境綜合信息監測帶來困難。

針對此問題，本研究設計出標準化的監測節點，該節點以MSP430單片機為核心處理器，在分析市面上常用的一些監測環境因子的傳感器后，充分利用該單片機，對各種接口進行擴展以及電壓電平、電流電平的標準化，從而實現各種傳感器模塊在平臺點上的即插即用功能。

1 系統設計

環境監測的系統平臺是以Zigbee無線網絡通信協議為基礎構建的，搭建的系統采用分層次結構[2]，其具體構架如圖1。傳感器節點組成的無線傳感器網絡均勻散布于整個監測區域，感知各自周圍環境因子的變化，通過Zigbee協議采用自組網和多跳通信方式[3]將環境變化量傳送給上一級網關，網關將收集到的所有子網信息通過內網傳給更上一級的中心服務器。中心服務器有一個數據庫專門存放這些變化量，并和Internet網絡連接。這樣，用戶終端就可以在手機或PC上通過相應的服務程序訪問到數據庫，從而獲得環境變化信息。

2 硬件設計

2.1 整體硬件框架

無線傳感器網絡節點由處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、標準化接口以及被控單元組成，結構如圖2。

核心處理器模塊采用美國德州儀器（TI）生產的MSP430，它是一款高速低功耗控制芯片，集成了10 kB的SRAM，48 kB的編程ROM以及1 MB的擴展flash存儲器。無線通信模塊采用Chipcon公司的一款符合IEEE 802.15.4規范的射頻芯片CC2420[4]，該芯片傳輸距離遠，在視界無障礙物條件下可達300～400 m，消耗功率低且有超強的抗干擾能力，睡眠模式下電流僅為0.1 μA。傳感器模塊通過標準接口連接，將監測信息傳給用戶，同時用戶可以下達命令對開關量、模擬量和數字量等被控對象進行執行控制。整個節點用2節5號電池供電，用USB接口燒寫和調試程序，無線通訊使用2.4 GHz的DMA外接天線[5]。

2.2 傳感器輸出格式

通過調研發現常見監測環境因子的傳感器的輸出數據形式如表1。數據通信接口主要有標準串口、I2C接口、SPI接口等。在該設計節點中，硬件模塊接口包括外擴flash、CC2420、GPS模塊（用于節點定位）、LCD顯示模塊、傳感器模塊及其他被控單元，這樣就會遇到接口不夠用的問題，需要擴展接口。

由于MSP430單片機A/D接口只識別0.0～3.3 V電壓，而從表1可以看出各傳感器輸出的電流、電壓信號都不能直接應用到MSP430單片機上，需要對電流、電壓進行標準化處理。

2.3 串行口擴展

I2C是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，主要用于微控制器與外圍設備的短距離通信。I2C總線由數據線SDA和時鐘線SCK構成，可發送和接收數據，但不支持全雙工方式。通過對I2C接口進行擴展，可以使微控制單元通過I2C總線擴展出更多的I/O接口以連接更多的傳感器和被控單元（圖3）。I2C接口擴展可以采用TI的PCF8574和PCF8574A這接口擴展芯片，其區別僅在于器件地址不同。該類芯片具有體積小、電路連接簡單、不占用系統地址總線和數據總線的優點。同一I2C總線上可連接多達8個PCF8574和8個PCF8574A器件，由于每個器件具有8個I/O口，因此理論上采用PCF8574和PCF8574A可使單個I2C總線能控制多達128個I/O。圖3示意I2C總線連接兩個PCF8574。

SPI是Motorola公司提出的四線同步雙向串行總線，具有高速、全雙工的特點。一般的SPI接口包括4種信號，分別是SDI（數據輸入）、SDO（數據輸出）、SCK（時鐘）和CS（片選）。CS信號可以實現一個主設備與多個從設備的通信，在有多個從設備的情況下，通過譯碼電路，可以確定CS信號和從設備。

I2C和SPI接口無論是從資源利用、抗干擾能力還是從通信速率、協議的復雜度來講都各有優缺點，可根據實際進行選取，兩接口擴展出的I/O能夠滿足一般應用。

2.4 電平標準化

電平的標準化分為電壓電平的標準化和電流電平的標準化。

2.4.1 電壓電平標準化 傳感器輸出的模擬電壓電平一般是0～5 V和0～10 V，要通過標準化電路將其轉換為0.0～3.3 V?？刹捎肨I公司的LM324（雙電源）這一廉價的方案來解決電壓的轉變問題，轉換電路見圖4。

0～5 V電平標定可采用下述方法：輸入端接地，測量1腳輸出和7腳輸出，應為0 V。調節輸入端，使輸入最大為5 V，調節R2，使得1腳輸出為-3.3 V，使得OUT端輸出為3.3 V。繼續均勻減小輸入端電壓觀察輸出端是否也均勻變化。若均勻變化，則說明電路可以實現轉化的功能。0～10 V標定和0～5 V標定一樣，但電路中LM324的供應電壓應采用±12 V。采用此方式調節的輸入電壓、輸出電壓見圖5。從圖5可見輸入0～5 V、0～10 V與輸出0～3.3 V呈線性關系對應，說明該設計電路達到了標準化調節要求。

2.4.2 電流電平標準化 部分傳感器輸出電流微弱（如有毒氣體傳感器），很難被MSP430接收，因此需要進行電流標準化，將其轉換為0～3.3 V可識別的電壓。

轉換電路一般分恒勢電路、V/I變換器電路、4～20 mA電流轉0～3.3 V電路。主要方法是將微弱、非線性的電信號放大成線性的電壓信號，然后經過變換器電路轉換為4～20 mA電流信號，最后轉變成0～3.3 V電壓信號（圖6）。測試圖6的電路設計結果（圖7）表明設計電路能夠實現電流電平標準化。

3 軟件設計

軟件采用TinyOS操作系統NesC編寫，具體思路是傳感器采集信號經MSP430的AD轉換后，將數據存儲于緩沖區，然后打包發送給網關，網關將數據傳給PC，通過調用Java程序，在PC上直觀看到各傳感器采集到的數值。其流程如圖8。

4 可視化平臺

接入光照、溫濕度和土壤濕度傳感器，將監測節點散布于不同位置。用戶可通過網站查詢觀測站，如圖9箭頭所指處顯示，點擊箭頭所指處則會出現如圖10所示的觀測站地圖標識，圖中箭頭所指處表示監測節點的位置，點擊箭頭所指處節點則可以看到該節點采集的實時數據，如圖11。

5 系統測試

為了驗證該監測節點是否適于實際應用，分別從數據可靠性和通信質量兩個方面進行了考察。

5.1 數據可靠性分析

數據可靠性是監測節點實際應用的重要指標。為驗證可靠性，隨機選擇一個采樣點，并將溫度值作為分析數據可靠性的參數，采取人工和節點測量兩種方法進行對比，并默認人工采得的數據是準確數據，將系統自動收集的數據與準確數據進行比較（圖12）。由圖12可以看出，使用環境監測節點采集的溫度信息與人工采集的數據在絕大多數情況下誤差不超過1 ℃。由此可知，該節點可靠性高，能夠滿足環境監測的要求。

5.2 無線通信質量分析

由于系統采用的是基于Zigbee協議的無線網絡傳輸，網絡通信質量是衡量系統的另一個重要指標。驗證時只考慮無線傳輸中的網絡丟包率，圖13是對網絡節點20 d網絡傳輸丟包情況的研究，從中可以看出這個節點的網絡丟包率始終在15%以下，結合無線傳感器網絡本身系統信息冗余性的固有特點，可認為無線通信質量符合環境監測數據量的需要。

6 小結

基于Zigbee組成的物聯網技術在環境監測中的應用是當下研究的熱點。但在監測區域中較多監測節點監測對象單一，這樣不僅會造成資源浪費也會增加通信負擔，影響采集數據的可靠性。

本研究旨在建立標準化接口節點，分別從硬件和軟件兩個方面進行了設計，使該節點能夠承載更多的傳感器，從而達到對環境的綜合監測。通過設計的可視化平臺，管理人員可以方便、直觀地對某點的環境進行綜合分析。對該設計節點分別從網絡通信質量、數據可靠性兩方面進行考察，驗證了該節點有實際應用價值。

參考文獻：

[1] 桂 林.基于ZigBee的傳感器網絡環境監測的研究與實現[D].南京：南京郵電大學，2012.

[2] 吳 猛，程良倫.一種無線傳感器網絡節點及其實現方法[J].儀表技術與傳感器，2008 （12）：14-16.

[3] 楊 燁，董 惠.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計[J].現代電子技術，2009，32（17）：140-142.

[4] 裴菊靜，王經卓，董自健，等.基于CC2420實現ZigBee無線通信的設計[J].工程與試驗，2012，52（1）：61-63.

[5] 昂志敏，金海紅，范之國，等.基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計與通信實現[J].現代電子技術，2007，30（10）：47-49.