低功耗水稻育秧秧棚监测系统的设计

王鹏，谭峰

（黑龙江八一农垦大学信息技术学院，大庆163319）

育秧是从种子吸水萌芽到培养出适龄秧苗的过程，与环境条件关系密切，在育秧过程中要创造一个适宜种子萌发和幼苗生长的环境，以培育壮秧。然而北方冬天寒冷多雪，雪就堆积在育秧棚的周围，用人工清雪工作量太大，用机械清雪容易把下面铺设好的电缆推断了。育秧群棚监控系统就是针对于这些而开发的，它以低功耗平稳高效运行一个育秧周期，实现高精度的温湿度检测，并能根据不同的生长期需要的温度进行预设置，当温湿度值超限，将数据上传到值班室并进行声光报警，值班人员只需要对着上位机电脑就可以看到上百个棚当前的状态，并通过电脑进行温湿度值的控制，再也不需要对每个棚检查，操作简单，也不会有任何棚被漏掉，不但提高作业效率、减轻操作人员的劳动强度，使得秧苗长得更壮，也是我国农业向智能化、自动化方向又迈进了一步，因而具有极其广阔的应用前景。

1 低功耗设计原理

单片机的低功耗设计要进行功耗分析，主要是对单片机系统的节能、可靠性进行综合分析，确定低功耗设计的可行性。低功耗设计主要是对电路的设计和器件的选择。在器件选择上，要尽量实现全CMOS化的硬件设计，同时遵守三相宜原则，即电压宜低不宜高、频率宜慢不宜快、系统宜静不宜动。CMOS器件的功耗由静态和动态功耗组成：

从上式可知，电源电压对系统的功耗应系那个最大，其次是工作频率，再就是负载电容。对设计而言，负载电容一般是不可控的，故在不影响系统性能的前提下，设计一个低功耗的单片机系统主要有两种途径：（1）尽可能境地工作电压；（2）使用低频率的时钟。在电路设计方面，主要是进行单片机低功耗方式（睡眠模式和掉电模式）的唤醒电路设计，外围功耗控制接口设计（即外围器件关断控制）和电源管理电路的设计。

2 总体设计

构建一种低功耗和小型化电池供电，以适应水稻秧棚监测领域的需要。从嵌入式系统研发的3个阶段（元器件选择、电路设计、软件设计）进行了超低功耗优化设计，最大限度地降低功耗。系统的总体结构如图1所示。方案采用温湿度一体传感器SHT11，将采集到的温湿度值传送到单片机MSP430F149的采样端口。通过DS1302时钟芯片对单片机进行定时，在12 864液晶屏上显示当前温湿度值，并通过无线模块把数据按给定的时间发送给上位机。

图1 流程图Fig.1 Flowchart

2.1 MSP430F149单片机

MSP430F149单片机[1]是一种超低功耗的16位RISC混合信号处理器，其有16个中断源，并且可以任意嵌套，使用灵活方便；用中断请求将CPU唤醒只要6微秒，可编制出实时性特别高的源代码；可将CPU置于省电模式，用中断方式唤醒程序；在1.8～3.6 V电压、1 MHz的时钟条件下，耗电电流在0.1～400μA之间，因不同的工作模式而不同，其能够在实现液晶显示的情况下只耗电0.8μA。典型情况：在4 kHz， 2.2 V条件下工作消耗电流2.5μA；在1 MHz，2.2 V条件下工作消耗电流280μA，在只有RAM数据保持的低功耗模式下耗电0.1μA。可见其功耗特别小，是低功耗微处理器的典型。

2.2 温湿度传感器SHT11

SHT11[2-5]是瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。该传感器采用独特的CMOSens TM技术，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换的特点。温度量程为-40℃～123.8℃，湿度量程为0～100%RH，电源电压范围为2.4～5.5 V，电流消耗，测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。

图2 SHT11连接图Fig.2 SHT11 Connection diagram

SHT11通过串行口与单片机相连，串行数据DATA用于内部数据的输出和外部数据的输入，串行时钟SCK用于SHT11和单片机之间通信同步。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿后有效。因此，单片机可以在SCK高电平时读取数据，而当其向SHT11发送数据时，在SCK时钟下降沿之后改变状态，同时保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定。

2.3 无线模块

CC1010[6]是挪威Chipcon公司推出的单片、多频段、低功耗、超高频芯片。芯片采用Chipcon公司的0.35μmCOMS技术制成，内嵌高性能8051微控制器、32 KB的FLASH程序存储器和2 176字节的SRAM，能够工作与315、433、868和915 MHz 4个ISM频段。芯片低电压（2.7～3.6 V）供电并且功耗非常低（接收数据时工作电流只有9 mA），灵敏度高，通信速率为76.8 kb·s-1。

MSP430通过485与CC1010无线通讯模块进行数据通讯。在接受模式中，CC1010被配制成外差式接收机。RF输入信号被低噪声放大器放大，并经过混频器变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波，然后将解调器输出的数字数据送入微控制器进行处理。在发射模式下，芯片内部压控振荡器（VCO）的输出信号直接送入功率放大器，RF输出是有微控制器的数字比特流频移键控形成的。其频率合成器产生的本振信号在接受模式时被送到混频器MIXER然后在发射模式是馈送到功率放大器。芯片中的频率合成器由警惕振荡器、相位检波器、充电泵、VCO和分频器组成。

2.4 软件设计

系统的软件设计采用C语言模块化设计编程，包括主程序初始化模块、温湿度检测子程序模块、显示模块和无线发送数据模块。主要通过MSP430F149单片机读取SHT11温湿度数据，并按照相应的换算公式转化成实际温湿度数值并储存。然后通过无线发送模块发送给上位机。

图3 结构框图Fig.3 Structure diagram

图3为该系统的主流程图，系统上电后清除“看门狗”输入，进行定时器和中断处理操作的初始化，设定各个数据的存储单元，进行参数的设定包括时间、门限大小等。然后进行数据采集，按照设定进行数据处理，显示出来并中断发送出去。执行完以上操作后中断返回。

3 数据处理

在850农场科研站标准温室育秧棚内以对角线方式平局分布4个采集点，放在距离地面0.2m的高度，进行一个育秧周期的数据采集。这样放置能够准确测量秧苗表面的温度值，使测量的数据更加准确。现取棚内温度值（图4）、湿度值（图5）进行数据采样点定点分析。首先对4点进行标准偏差的运算，来确定哪一点和期望值更加接近，遂确定采用这点进行定点测量。经计算（表1）采集点3的标准偏差最小，采用采集点3的采集来的值，对其他采集点进行表示（表2）。

图4 温度值Fig.4 Temperature

图5 湿度值Fig.5 Humidity

表1 标准偏差Table 1 Standard deviation

表2 回归分析相关参数Table 2 Regression analysis related parameters

4 结束语

系统最大的特点是测量准确、结构简单、调试使用方便、性价比高。用温湿度数字传感器SHT11检测秧棚温湿度，既解决了传统湿敏电阻和热敏电容带来的电路复杂的问题，又避免了大量安装多个传感器所面临的高成本等问题。在软件设计中加入了“看门狗”和软件陷阱。实验证明，该装置运行可靠，测量误差小，具有良好的应用效果。

［1］胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2001.

［2］齐秋红,马斌,韩中华，等.基于SHT11的智能建筑室内温湿度检测［J］.楼宇自动化,2008（18）：1-3.

［3］高翔，陈志辉.一种基于MSP430F1232的温湿度［J］.电子元器件应用，2007，9（3）：14-16.

［4］张艳丽,张勇.基于SHT11的温湿度控制器［J］.兵工自动，2007，26（5）：83-84.

［5］冯显英,葛荣雨.基于数字温湿度传感器SHT11的温湿度测控系统［J］.自动化仪表,2006,27（1）：59-61.

［6］梁春英,王熙,张成胜，等.玉米联合收获机电子监视系统的设计研究［J］.黑龙江八一农垦大学学报，2010,22（2）：28-30.