基于MSP430F169的蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统设计

基于MSP430F169的蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统设计 基于MSP430F169的蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统设计-权威资料 本文档格式为WORD,若不是word文档,则说明不是原文档。 最新最全的 学术论文 期刊文献 年终报告 个人总结 述职报告 实习报告 单位总结 摘要:针对东北地区冬天蔬菜种植大棚的特点，提出并开发基于超低功耗单片机MSP430F169为核心的大棚多点温湿度检测系统。该系统可以长时间连续地测量、显示、存储和无线传输大棚的环境温湿度信息，同时可进行多点温湿度同时监测。该设计具有简单实用、测量精度高、系统运行稳定、抗干扰能力强等优点。 关键词:蔬菜大棚;温湿度;无线传输;MSP430F169 TP274+.2 A 0439-8114(2013)06-1435-04 随着国家经济的快速发展，人民的生活水平逐步提高，对蔬菜的需求日益增大;由于受季节的影响，蔬菜随着季节的变化出现波动，尤其是冬天，蔬菜的种类相对单一，温室大棚的出现解决了这一问题。近年来，温室大棚发展迅速，规模庞大;但由于温室大棚主要靠人工维护，近年来人工成本的提高和规模的扩大加大了管理难度，特殊农作物对温度和湿度的要求很高，温室环境的变化不能及时被发现，单纯的人工管理无法满足需求;此次设计针对大棚内温湿度的检测，开发出了蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统，便于实时查看大棚内每个检测点的温湿度数值或查询历史记录。 蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统设计运用了2.4G多点无线传输和低功耗技术，因此能够长时间实时反映大棚内各个角落温湿度的变化，为生产提供准确的温湿度信息，便于管理人员实时处理温湿度过高或过低的问题。 1 系统组成及其功能 由于蔬菜大棚分布分散、布线供电麻烦、成本高，所以系统设计时采用电池供电方式。为了能长时间使系统稳定工作，系统中各种器件的功耗、性能都要求很高，因此采用德州仪器的超低功耗MSP430系列单片机作为主控制器，以超低功耗的nRF24L01芯片进行2.4G无线数据传输，利用超低功耗数字式温湿度传感器DH80作为温度传感器、湿度传感器[1]。整个温湿度采集节点休眠时电流为50 μA左右，而平均工作电流为700,800 μA。单片机通过数字式温湿度传感器采集现场温湿度信息，然后通过2.4G无线数据传输模块发送到接收节点上，同时接收端将接收到的温湿度数据、节点编号和DS1302提供的实时时间一并存储到SD卡中，并且在液晶显示屏上显示这些数据，也可以通过在接收端的串口将采集数据发送到计算机上显示和存储。接收端还可通过控制按键设置各个节点温湿度的上下限报警值，一旦采集节点的温湿度超过了设定的值，单片机就会通过蜂鸣器发出报警，提示工作人员进行相应的处理操作。 蔬菜大棚多点无线温湿度检测系统主要分两大部分:采集部分和显示部分。数据采集部分包括温室环境的温度信息的采集、湿度信息的采集、无线传输模块和供电电池4部分。显示部分由LCD显示、2.4G无线数据接收、SD卡数据存储、控制按键、实时时钟等组成。系统总体设计如图1所示。 2 系统的硬件设计 2.1 主控制器 系统主控制器主要完成数据的采集、处理、设置、发送和接收报警等功能，是整个系统的核心。由于数据采集节点采用CR2032锂电池供电，因此要求控制器的功耗必须低，并且速度要快，性能可 靠[2]。因此，主控制器选用德州仪器的超低功耗MSP430F1121A单片机，其优点是采用冯?诺依曼结构，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内，最大寻址地址为62 kB(60 kB Flash，2 kB RAM)。最高运算 速度为8MIPS[3]。此款单片机有5种省电工作模式，从LPM3待机模式(消耗2.6μA@VCC=3)恢复到正常工作模式(消耗500μA@VCC=3，1MIPS)的唤醒时间小于6 μs，且允许双外部工作频率输入，其内部整合了多款低功耗外围模块。MSP430系列单片机的电源采用的是1.8,3.6 V电压，工作电压很宽因而可以使用电池供电[4]。当单片机在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流为200,400 μA，其他性能包括速度、可靠性等方面也符合系统要求。 2.2 传感器电路 传感器采用的是DH80数字式温湿度一体化传感器，其特点是价格便宜、精度高、测量范围宽、误差偏移小、使用寿命长、工作电压宽、功耗低等[5]。各方面性能都符合本设计的要求。电路如图2所示。 传感器采用的是标准的I2C总线，只有时钟、数据两根线，节约了单片机的I/O口，为了提高单片机的通信稳定性，分别在数据线和时钟线上加了47 kΩ的上拉电阻。 2.3 存储电路 为便于观察和指导大棚内植物的生长，需要把每天每个采集点的实时温度值、湿度值和采集时间存储起来。由于整个作物生长期内都要检测，所以系统需要采集的数据较多，一般的存储设备不能满足要求。由于SD卡具备体积小、可擦写、存储容量大、非易失性以及价格低等特点而被广泛应用于消费类电子产品中[6]。因此，系统选择了4G的SD卡作为存储设备(图3)，满足了系统需要。 2.4 无线数据传输模块 nRF24L01是由NORDIC公司生产的工作在2.4,2.5 GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片[7]。无线收发器包括:频率发生器、增强型“ShockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。输出功率频道选择和的设置可以通过SPI接口进行设置，通信速度可达10 MB/s，大大提高了无线通信抗干扰能力并且具有多个无线信道，同时 nRF24L01本身具备休眠模式，因此功耗也符合本设计要求。nRF24L01接口电路如图4所示，D2是为了防止电源极性接反设计添加的。 2.5 与上位机的通信模块 如何把PC机或上位机的数据传到下位机中，这就需要串行通信接口以及接口器件，同时必须有标准的通信协议。 串行通信接口是连接计算机、终端、通信控制器等设备之间的物理接口，RS-232是PC通信应用中最成功、比较典型的串行数据标准[8]。RS-232最初只用在微机中支持调制解调器和打印机连接，由于通信接口与设备制造厂商都生产与RS-232兼容的通信设备，因此它已成为微机串行通信接口中广泛采用的一种标准。 RS-232采用非平衡连接，信号电压加到一条导线上，所有的信号电压都使用一个公共的接地线[9]。为了提高抗干扰能力和增加传送距离，RS-232的每个脚线的信号和电平规定采用负逻辑电平，DC(-15,-5V)规定为逻辑“l”，DC(+5,+15V)规定为逻辑“0”，-5,+5V规定为过渡区。由于计算机接口或终端的电平TTL或MOS与RS-232通信接口的逻辑电平不兼容，必须在RS-232与电平TTL之间进行电平和逻辑关系的变换。例如采用MC1488、SN7515O芯片可完成电平TTL到EIA的转换;采用MC1489、SN75154芯片可实现电平EIA到TLL的转换。如果采用MAX232接口芯片可实现电平TLL和EIA的双向电平转换。 RS-232-C标准规定，驱动器允许有2 500 pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150 pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15 m;若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20 m以内的通信。 考虑到在通信时不存在距离过长等问题，该研究采用RS232标准，利用MAX232芯片的双向转换完成TTL-EIA和EIA-TTL的电平转换。其硬件电路连接如图5所示。 3 系统的软件设计 3.1 与上位机的通信软件部分 软件在此处向上位机输出位置数据以及接收控制命令。以个人计算机(PC)作为上位机，与单片机之间以帧为通信单位。该设计MCU不主动向计算机发送信息。PC根据需要发送命令帧，MCU完成相应功能后将发送应答帧。命令帧(PC至MCU)和应答帧(MCU至PC)的格式是相同的，二者的帧内容有所不同。 上位机和下位机的约定如下，帧格式总字节数+帧命令+帧内容+校验和;总字节数:该帧包含的字节总数用1个字节示;帧命令:该帧的功能用1个字节表示;帧内容:研究中上传温湿度数据用4个字节表示;校验和:将总字节数、帧命令和帧内容所有字节计算出的校验和用1个字节表示。其中帧内容长度只代表帧中数据的长度。实际上整个一帧中除了“帧内容”外，还包括“总字节数”、“帧命令”、“校验和”3个字节。波特率=9 600baud;字节格式=1启始位、8数据位、无校验位、1停止位;约定传输数据命令特征码为254，即十六进制数为0xfe。 由上位机向下位机发送字节数和命令，下位机根据命令将位置数据传给上位机，下位机在传输完数据后，继续进行数据处理，等待下一次中断控制信号到来。上位机可以采用Delphy或VB6.0编制，实现波特率的匹配、命令字的发送以及数据的接收和处理。 3.2 nRF24L01程序设计 nRF24L01的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等[10]。在输入任意命令字的同时，MISO输出STATUS寄存器的内容。nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据模式的区别是:后者比前者多一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。按Enhanced ShockBurst模式初始化，重新发送等待时间为250 μs，重新发送次数为10次， 地址是RX_ADR_WIDTH，输出功率为0dBm，速度为1 Mb/s。nRF24L01处于POWER_UP状态。函数中WRITE_REG为写命令基地址0x20。在接收端将nRF24L01配置为接收模式，地址是RX_AW，nRF24L01处于POWER_UP状态。整个操作过程如图6所示。 3.3 系统的主程序设计 软件图如图7所示。软件设计中，上电初始化完成对CPU、液晶显示器、实时时钟等的初始化;CPU控制传感器采集数据并通过无线模块发送，接收到的数据在LCD上显示，并存储在SD卡中，根据不同作物不同生长时期判断温湿度。如果超出设定范围，就通过蜂鸣器发出警报，否则检测是否到达定时发送时间。如果到达，发送当天传感器采集到的上限值、下限值和平均值，让工作人员了解一天内温室内环境的变化规律。 4 小结 该设计方案通过在黑龙江农垦总局建三江分局的859农场示范园区的温室蔬菜大棚现场试验，证明系统运行稳定、测量精度高、操作方便简单、实用性强等，为进一步提高温室蔬菜大棚的全自动、智能化作业提供可靠保证。 参考文献: [1] 田芳明，杨丽茹，金松海，等.基于PIC单片机的分布式无线温湿度采集系统[J].黑龙江八一农垦大学学报，2011，23(1):79-82. 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