溫室超低功耗無(wú)線傳感器智控系統(tǒng)設(shè)計(jì)——基于MSP430和ZigBee

魏 純，劉紅艷

(1.武漢東湖學(xué)院 電子信息學(xué)院，武漢 430212;2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000)

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溫室超低功耗無(wú)線傳感器智控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——基于MSP430和ZigBee

魏 純1，劉紅艷2

(1.武漢東湖學(xué)院 電子信息學(xué)院，武漢 430212;2.濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 濟(jì)源 459000)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫室環(huán)境溫度的有效監(jiān)控，采用ZigBee技術(shù)，通過(guò)SN8P2722八位單片機(jī)自主采集和控制大棚環(huán)境溫度，使溫度的調(diào)節(jié)更加方便快捷，并經(jīng)由無(wú)線射頻發(fā)射器與MSP430F149超低功耗嵌入式系統(tǒng)通信，通過(guò)開(kāi)發(fā)底層軟件和上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本超低功耗智能控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，可以自動(dòng)地對(duì)蔬菜大棚環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)人機(jī)界面操作方便，且采集系統(tǒng)攜帶方便、經(jīng)濟(jì)適用和省電，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

MSP430；超低功耗；ZigBee無(wú)線傳感器；CC2530；上位機(jī)；溫室

0 引言

蔬菜的生長(zhǎng)極容易受到周?chē)h(huán)境的影響，而在這些條件中，溫度對(duì)蔬菜生長(zhǎng)的影響最為突出。隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的提高，我國(guó)種植蔬菜大部分采用大棚溫室技術(shù)，通過(guò)對(duì)大棚溫室溫度的檢測(cè)及控制，能創(chuàng)造出最適宜蔬菜生產(chǎn)所需要的環(huán)境溫度，從而可在很大程度上提高大棚作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。為采集和監(jiān)控溫室溫度，利用MSP430超低功耗嵌入式系統(tǒng)和CC2530RF收發(fā)器建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并完成與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，大大降低人工成本，在提高生產(chǎn)率的同時(shí)也提高了蔬菜的口感與質(zhì)量。大棚溫室內(nèi)部結(jié)構(gòu)和MSP430嵌入式系統(tǒng)如圖1所示。

1 智能控制硬件部分整體設(shè)計(jì)

智能控制硬件部分主要由MSP430嵌入式系統(tǒng)和ZigBee無(wú)線接收控制系統(tǒng)兩部分組成。

MSP430嵌入式系統(tǒng)框架圖如圖2所示。系統(tǒng)由無(wú)線接收模塊、MSP430核心系統(tǒng)、按鍵部分、LCD顯示部分、電源管理系統(tǒng)及JTAG接口模塊共同構(gòu)成。無(wú)線接收模塊接收到BigZee系統(tǒng)發(fā)送回來(lái)的數(shù)據(jù)送給MSP430，通過(guò)處理由LCD顯示出來(lái)，可以通過(guò)顯示出來(lái)的信息判斷大棚溫度是否正常。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大棚溫度的檢測(cè)、完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的信息傳輸，且具有網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

圖1 蔬菜大棚和嵌入式系統(tǒng)示意圖

ZigBee無(wú)線接收控制系統(tǒng)框架圖如圖3所示。ZigBee無(wú)線接收控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、信號(hào)放大芯片、CC2530芯片、發(fā)送路由器及控制部分構(gòu)成。PT100傳感器采集信號(hào)后，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大IC放大，然后經(jīng)由CC2530傳輸給微處理器處理，微處理器一路將數(shù)據(jù)傳輸給MSP430嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)也完成對(duì)環(huán)境溫度的調(diào)控。

圖2 MSP430框架示意圖

圖3 ZigBee系統(tǒng)框架示意圖

2 系統(tǒng)軟件編程與上位機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 SN8P2732單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

SN8P2732單片機(jī)軟件主要包括溫度傳感器、通風(fēng)驅(qū)動(dòng)、加熱驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)與顯示電路4個(gè)部分。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示溫度，并能自動(dòng)的控制大棚溫室的環(huán)境溫度。SN8P2732單片機(jī)軟件流程如圖4所示。

SN8P2732單片機(jī)在開(kāi)始時(shí)會(huì)進(jìn)行一系列的初始化，然后通過(guò)軟件檢測(cè)Flash的標(biāo)志位，判斷Flash是否已經(jīng)被寫(xiě)，接著單片機(jī)會(huì)開(kāi)一些中斷、定時(shí)器；LCD實(shí)時(shí)顯示溫度并進(jìn)入省電模式，節(jié)省電量；MCU會(huì)通過(guò)定時(shí)看門(mén)狗或外部中斷喚醒，然后開(kāi)始采集溫度。在采集溫度的過(guò)程中，軟件會(huì)自動(dòng)判斷采集到的數(shù)據(jù)是否合理，即采集過(guò)程是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，若采集產(chǎn)生錯(cuò)誤，則復(fù)位傳感器重新采集數(shù)據(jù)。最后，軟件根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)判斷下一步操作，或開(kāi)啟通風(fēng)裝置，或開(kāi)啟加熱設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)大棚溫室溫度。

圖4 SN8P2722單片機(jī)軟件流程示意圖

2.2 MSP430嵌入式系統(tǒng)

MSP430嵌入式系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用集成化設(shè)計(jì)，采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，軟件簡(jiǎn)潔明了，方便靈活，模塊化程度高，調(diào)用起來(lái)非常方便。軟件主要包括LCD液晶顯示、鍵盤(pán)交互、通信交換等幾個(gè)模塊。

LCD顯示部分采用1602液晶模塊，1602字符型顯示器器是一種特意用來(lái)顯示字母、數(shù)字和符號(hào)的液晶模塊，用來(lái)顯示大棚環(huán)境溫度和溫度設(shè)置界面。其主要程序如下：

#include "lcd_config.h"

void lcd_display(int i)

{

if(i==0)

{

lcd_init();

lcd_datewrite(0x4c);

lcd_datewrite(0x43);

lcd_datewrite(0x44);

}

if(i==1)

{

lcd_datewrite(0xa0);

lcd_datewrite(0x64);

lcd_datewrite(0x69);

lcd_datewrite(0x73);

lcd_datewrite(0x70);

lcd_datewrite(0x6c);

lcd_datewrite(0x61);

lcd_datewrite(0x79);

}

}

按鍵交互包括設(shè)置溫度的UP、DOWN，以及系統(tǒng)復(fù)位鍵，可以用來(lái)完成溫度設(shè)定和系統(tǒng)復(fù)位，主要程序如下：

int keyvalue=0;

int i;

int table[]={0X3f,0X06,0X5b,0X4f,0X66,0X6d,0X7d,0X07};

void main( void )

{

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

P3DIR|=0X0b;

P3SEL=0X0a;

P3OUT=0X00;

P3OUT=0XFF;

while(1)

{

for(i=0;i<8;i++)

{

if((P4IN&0x01<

{ keyvalue=table[i];

U0TXBUF=keyvalue;

}

}

}}

MSP430F149與路由器之間的通信采用RS232協(xié)議，主要完成信息的相互傳輸，其主要程序如下：

#include "resource.h"

class CMy232App : public CWinApp

{

public:

CMy232App();

public:

virtual BOOL InitInstance();

AFX_VIRTUAL

DECLARE_MESSAGE_MAP()

}

2.3 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件采用 Delphi7編寫(xiě)，上位機(jī)與下位機(jī)的通訊通過(guò)串口通訊來(lái)完成，因此上位機(jī)軟件的編寫(xiě)在整個(gè)系統(tǒng)中占有很重要的作用。Delphi7是Borland公司推出的全新可視化編程環(huán)境，為人們提供了一種方便、快捷的Windows應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)工具， 其實(shí)現(xiàn)串口通訊的辦法是使用MSCOMM控件。MSCOMM控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性，提供了對(duì)串口進(jìn)行的多種操作，進(jìn)而使串行通信變得十分簡(jiǎn)便。本系統(tǒng)中上位機(jī)的信息處理及監(jiān)控軟件運(yùn)行在Windows操縱系統(tǒng)下，并利用MSCOMM控件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了上位機(jī)與MSP430的串行通訊程序，完成對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。大棚溫室環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)主界面如圖5所示。

圖5 大棚溫室環(huán)境無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)主界面

該軟件可以完成對(duì)各個(gè)無(wú)線傳感器的溫度進(jìn)行采集處理；并通過(guò)主界面實(shí)時(shí)分類(lèi)顯示所測(cè)數(shù)據(jù)；系統(tǒng)具有自動(dòng)保存上傳數(shù)據(jù)的功能，可以查看歷史數(shù)據(jù)，且可以導(dǎo)出Excel數(shù)據(jù)文件。

3 蔬菜大棚環(huán)境溫度調(diào)節(jié)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

大棚溫室內(nèi)的溫度作為測(cè)量的對(duì)象，采用的調(diào)控方法主要是利用排風(fēng)扇、窗簾設(shè)備和加熱裝置。通過(guò)PT100檢測(cè)數(shù)據(jù)并送由松翰SN8P2732八位微處理處理，單片機(jī)內(nèi)部與當(dāng)時(shí)時(shí)間段最有利于蔬菜生長(zhǎng)點(diǎn)的溫度作比較，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫室溫度功能。當(dāng)溫室內(nèi)溫度低于最佳溫度時(shí)，SN8P2732單片機(jī)發(fā)送指令打開(kāi)加熱設(shè)備；反之，則打開(kāi)通風(fēng)裝置。在加熱或通風(fēng)過(guò)程中，溫度傳感器不斷地采集數(shù)據(jù)與最佳溫度作對(duì)比，直到調(diào)整到最佳溫度±0.5℃。

根據(jù)不同蔬菜作物的生長(zhǎng)期，本系統(tǒng)可以通過(guò)嵌入式部分設(shè)置大棚溫室內(nèi)適宜蔬菜生長(zhǎng)的最佳溫度曲線，然后通過(guò)ZigBee模塊進(jìn)行控制。例如，西紅柿生長(zhǎng)期包括發(fā)芽期、幼苗期、開(kāi)花著果期和結(jié)果期，每個(gè)時(shí)期需要的生長(zhǎng)環(huán)境溫度也都不相同，幼苗期白天適宜溫度為23～28℃，晚上適宜溫度為10～12℃。本實(shí)驗(yàn)以西紅柿幼苗期為參考，要求溫室內(nèi)實(shí)際溫度與最佳適宜溫度相差±0.5℃以內(nèi)，用來(lái)測(cè)試智能控制系統(tǒng)工作是否達(dá)標(biāo)。表1中蔬菜生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境溫度是指西紅柿幼苗期一天各個(gè)時(shí)間段生長(zhǎng)所需的溫度，由上位機(jī)提前設(shè)定好，然后信息傳輸給處理器MSP430F149，最后信息傳送至ZigBee模塊進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)控制；而表1中實(shí)際測(cè)量溫度是在西紅柿幼苗期采集到的一天的溫度。

表1 蔬菜生長(zhǎng)所需最佳環(huán)境溫度與實(shí)際測(cè)試溫度

Table 1 The optimum environment temperature and actual test temperature for the growth of vegetables

數(shù)據(jù)分析軟件ORIGIN是一款功能強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)函數(shù)制圖軟件，簡(jiǎn)便易學(xué)，功能開(kāi)放，可以用來(lái)進(jìn)行高級(jí)數(shù)據(jù)分析。利用ORIGIN8.5對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，可以清晰地看到數(shù)據(jù)差值曲線變化，測(cè)試對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫室和西紅柿最佳適宜溫度的對(duì)比圖

通過(guò)對(duì)比大棚環(huán)境測(cè)試溫度和西紅柿最佳適宜溫度，不難發(fā)現(xiàn)兩者差值在±0.5℃以內(nèi)，而且有很好的穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試，本系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚溫室環(huán)境溫度的有效監(jiān)控，能準(zhǔn)確地采集到大棚環(huán)境溫度，并根據(jù)蔬菜生長(zhǎng)最適宜溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)Delphi7編寫(xiě)上位機(jī)對(duì)溫室環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且嵌入式系統(tǒng)電量損耗降低至50 mW，實(shí)現(xiàn)了超低功耗。本文中提出的超低功耗無(wú)線傳感器智控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有性能穩(wěn)定、實(shí)用、效率高和性價(jià)比極高等特點(diǎn)；且此系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，可以增加大棚濕度和二氧化碳含量的監(jiān)控，可為蔬菜創(chuàng)造更加適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，具有更大的實(shí)用性。

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Design for Intelligent Control System for Ultra Low Power Wireless Sensor Based on MSP430 and ZigBee

Wei Chun1, Liu Hongyan2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430211, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China)

In order to realize the effective monitoring of greenhouse environment temperature. In this paper, the ZigBee technology, SN8P2722 8 bit single chip computer through the autonomous acquisition and control greenhouse environment temperature and the temperature adjustment more convenient and quick, and via wireless RF transmitters and MSP430 ultra low power embedded system communication, through the development of the underlying software and PC software, let people through the PC real-time understanding of the measured temperature, the design and implementation of intelligent control system of greenhouse temperature automatic adjustment of. Experimental results show that the intelligent control system of the ultra-low power consumption can run well and can automatically detect and adjust the temperature of the greenhouse environment.This system is convenient for man-machine interface, and it has important significance for improving the portability, economic applicability and saving energy of the acquisition system.

MSP430； ultra low power consumption； ZigBee wireless sensor； CC2530； PC； greenhouse

2015-11-27

江西省科技計(jì)劃項(xiàng)目(20123BBG70217)

魏 純(1983-)，女，武漢人,講師，碩士,(E-mail)fiberhome@126.com。

S625.5+1;TP274

A

1003-188X(2017)01-0207-05