基于MSP430和CC2530的溫室大棚數據采集系統設計

陳樹成，楊志勇，王建佳

（1.成都信息工程學院 四川 成都 610225；2.中國華云氣象科技集團公司 北京 100081）

農作物的生長受到自然條件的影響，如溫濕度、二氧化碳濃度和光照等。隨著計算機技術和無線傳感網絡的發展，用信息技術改造農業尤其是農業溫室大棚是農業發展的必然階段[1]。溫室環境檢測是實現溫室智能化控制的一個重要環節。如何有效的利用傳感器技術、自動檢測技術、通訊技術和計算機技術，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境要素進行測量的數據采集系統，是科技工作者面臨的重要課題[2]。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境要素單一，技術還不夠成熟。因此，設計一套具有自主知識產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，能夠實現對溫室大棚內的溫濕度、二氧化碳濃度和光照實時采集傳輸，由主控單元將采集到的數據經過分析處理后，通過USB發送到上位機進行實時顯示與存儲。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。

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，測出實時的溫度、二氧化碳濃度和光照強度，對這些數據進行處理后打包發送給CC2530路由節點，路由節點再將接收到的數據發送給帶有CC2530無線模塊的MSP430F149。MSP430F149對路由節點發送來的數據進行分析，濾除掉無效的數據，將數據通過USB發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。對于長度小于50米的溫室大棚，可以選擇合適的位置放置一個接有傳感器的CC2530模塊；對于長度較長的溫室大棚，可按照CC2530的一般傳輸距離適當增加CC2530模塊的數量。

圖1 系統總體結構圖Fig. 1 Overall structure diagram of the system

2 系統硬件設計

2.1 接有CC2530無線模塊的MSP430F149電路

MSP430系列單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。以MSP430F149為例，其主要特點有：1)超低功耗。待機電流小于1 μA，在RAM數據保持方式時僅耗電0.1 μA，活動模式時耗電250 μA。在系統中共有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LPM0-LPM4）。2)強大的處理能力。MSP430F149采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集結構，1個時鐘周期就可以執行1條指令。3)高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊。內部集成看門狗定時器、12位ADC、DMA控制器、基本定時器和串行通信（UART、IIC、SPI）等[3]。

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型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公司業界領先的ZigBee協議棧（Z-StackTM）,提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

MSP430F149與無線模塊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

此模塊設計利用了MSP430F149的超低功耗特點，通過串行通信UART模式與ZigBee相連接。當CC2530沒有進行接收數據時，為了節省能源，MSP430F149和CC2530均處于休眠狀態；當定時時間到時，MSP430F149和CC2530從睡眠喚醒，CC2530接收由路由器節點的CC2530傳送來的數據，并將數據通過串口傳輸給MSP430F149單片機，單片機對接收的數據進行分析處理之后，發送給上位機存儲顯示；之后兩者又同時進入休眠狀態，等待下一次喚醒時繼續接收數據，如此循環。

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Fig. 3 USB to serial circuit of MSP430F149

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，提供一個使用最小化元件和PCB空間來實現RS232轉換USB的簡便解決方案，包含了USB功能控制器、USB收發器、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[4]。其中USB選用目前比較通用Micro-USB，在兩根數據線D+和D-上采用SP0503BAHT保護，用于抑制靜電阻抗和其它瞬態電壓，幫助保護數據、信號或者控制線路的模擬輸入。

2.3 接有傳感器的CC2530無線模塊電路

接有傳感器的CC2530的無線模塊電路如圖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境變化不是特別明顯，通過實際考察，推算出各個環境變量的測量時間間隔。溫濕度的測量為10分鐘一次，二氧化碳的測量為2小時一次，光照強度為30分鐘一次，其它時間模塊均處于低功耗的睡眠狀態。當10分鐘定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的溫濕度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；30分鐘定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的光照強度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；2小時定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的光照強度度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；這樣就完成了對溫室大棚內3種環境要素的測量。

AM2301數字溫濕度傳感器采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。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以越過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令[5]。AM2301的引腳2為數據線DATA，用于CC2530與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，測量精度分別為溫度16bit，濕度16bit。

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

TGS4161是由半導體氣體傳感器制造商Figaro幾年前推出的一款長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電解質構成，并配有加熱器，以減小環境溫度改變對測量的影響；TGS4161非常脆弱，一個持續流經高阻抗傳感器核心的電流就會燒毀它[6],所以設計中選用TLC271對傳感器進行保護。傳感器輸出電平端通過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境光強度傳感器，供電電壓為3.3 V，采用兩線式串行總線接口的集成電路，根據收集的光線強度數據進行環境監測，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[7]。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。

2.4 鋰電池供電電路

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

本設計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模塊收發數據時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轉換器，能夠用單個電感器調節輸出電壓，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傳送功能，非常適用于延長單節鋰電池或者鎳氫電池的工作時間[8]。其中鋰電池轉3.3 V電壓用來給CC2530無線模塊、BH1750傳感器供電，鋰電池轉5 V用來給TGS4161傳感器和AM2301傳感器供電，如果接有CC2530模塊的MSP430F149模塊不與上位機間進行通訊，也可采用鋰電池轉3.3 V供電。

3 系統軟件設計

本系統中MSP430F149的開發環境為IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30，CC2530的開發環境為IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation。CC2530所使用的協議棧為TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。系統的軟件流程圖如圖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數據采集發送流程圖。

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

圖6 系統軟件流程圖Fig. 6 System software flowchart

4 結 論

該溫室大棚數據采集系統以MSP430F149與CC2530為核心硬件資源，各電路工作穩定，系統搭建后無需人員長期值守，各采集模塊獨立工作。實際測試表明，該系統能夠準確采集到溫室大棚內的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度數據，并能夠成功的發送給MSP430F149單片機，系統通過休眠機制大大降低了系統的功耗，在智能農業領域有著廣闊的發展空間。

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