基于MSP430和CC2530的温室大棚数据采集系统设计

陈树成，杨志勇，王建佳

（1.成都信息工程学院 四川 成都 610225；2.中国华云气象科技集团公司 北京 100081）

农作物的生长受到自然条件的影响，如温湿度、二氧化碳浓度和光照等。随着计算机技术和无线传感网络的发展，用信息技术改造农业尤其是农业温室大棚是农业发展的必然阶段[1]。温室环境检测是实现温室智能化控制的一个重要环节。如何有效的利用传感器技术、自动检测技术、通讯技术和计算机技术，研制出对温室温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等多种温室环境要素进行测量的数据采集系统，是科技工作者面临的重要课题[2]。中国的智能温室大棚起步较晚，已有的温室大棚控制系统采集环境要素单一，技术还不够成熟。因此，设计一套具有自主知识产权的温室大棚数据采集系统是十分必要的。本文设计了一套使用超低功耗单片机MSP430F149为控制核心的温室大棚数据采集系统，能够实现对温室大棚内的温湿度、二氧化碳浓度和光照实时采集传输，由主控单元将采集到的数据经过分析处理后，通过USB发送到上位机进行实时显示与存储。该系统使用的硬件资源较少，电路工作稳定，功耗较低，便于携带和安装。

1 总体设计

系统的总体结构图如图1所示。

CC2530连接温湿度传感器AM2301、二氧化碳传感器TGS4161和光照传感器BH1750，测出实时的温度、二氧化碳浓度和光照强度，对这些数据进行处理后打包发送给CC2530路由节点，路由节点再将接收到的数据发送给带有CC2530无线模块的MSP430F149。MSP430F149对路由节点发送来的数据进行分析，滤除掉无效的数据，将数据通过USB发送给上位机存储显示。USB端口所起到的作用还有MSP430F149的BSL方式程序下载。对于长度小于50米的温室大棚，可以选择合适的位置放置一个接有传感器的CC2530模块；对于长度较长的温室大棚，可按照CC2530的一般传输距离适当增加CC2530模块的数量。

图1 系统总体结构图Fig. 1 Overall structure diagram of the system

2 系统硬件设计

2.1 接有CC2530无线模块的MSP430F149电路

MSP430系列单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。以MSP430F149为例，其主要特点有：1)超低功耗。待机电流小于1 μA，在RAM数据保持方式时仅耗电0.1 μA，活动模式时耗电250 μA。在系统中共有1种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LPM0-LPM4）。2)强大的处理能力。MSP430F149采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集结构，1个时钟周期就可以执行1条指令。3)高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。内部集成看门狗定时器、12位ADC、DMA控制器、基本定时器和串行通信（UART、IIC、SPI）等[3]。

CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存8KB RAM和许多其他的强大功能。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。CC2530结合了TI公司业界领先的ZigBee协议栈（Z-StackTM）,提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

MSP430F149与无线模块CC2530的电路连接如图2所示。

图2 MSP430F149与CC2530电路连接原理图Fig. 2 Circuit diagram of MSP430F149 and CC2530

此模块设计利用了MSP430F149的超低功耗特点，通过串行通信UART模式与ZigBee相连接。当CC2530没有进行接收数据时，为了节省能源，MSP430F149和CC2530均处于休眠状态；当定时时间到时，MSP430F149和CC2530从睡眠唤醒，CC2530接收由路由器节点的CC2530传送来的数据，并将数据通过串口传输给MSP430F149单片机，单片机对接收的数据进行分析处理之后，发送给上位机存储显示；之后两者又同时进入休眠状态，等待下一次唤醒时继续接收数据，如此循环。

2.2 MSP430F149的USB转串口电路

MSP430F149的USB转串口电路如图3所示。

图3 MSP430F149的USB转串口电路Fig. 3 USB to serial circuit of MSP430F149

MSP430F149的USB转串口电路主要用于电路初期的测试、与上位机间的数据传输。串口芯片采用Silicon公司推出的USB接口与RS232接口转换器CP2102。CP2102是一款高度集成的USB-UART桥接器，提供一个使用最小化元件和PCB空间来实现RS232转换USB的简便解决方案，包含了USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的异步串行数据总线[4]。其中USB选用目前比较通用Micro-USB，在两根数据线D+和D-上采用SP0503BAHT保护，用于抑制静电阻抗和其它瞬态电压，帮助保护数据、信号或者控制线路的模拟输入。

2.3 接有传感器的CC2530无线模块电路

接有传感器的CC2530的无线模块电路如图4所示。此模块设计利用CC2530连接温湿度传感器AM2301、二氧化碳传感器TGS4161和光照传感器BH1750，实现对温湿度、二氧化碳浓度和光照强度的测量。由于温室大棚内一天之中的环境变化不是特别明显，通过实际考察，推算出各个环境变量的测量时间间隔。温湿度的测量为10分钟一次，二氧化碳的测量为2小时一次，光照强度为30分钟一次，其它时间模块均处于低功耗的睡眠状态。当10分钟定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的温湿度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；30分钟定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的光照强度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；2小时定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的光照强度度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；这样就完成了对温室大棚内3种环境要素的测量。

AM2301数字温湿度传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。AM2301的供电电压为5 V，为4针单排引脚封装。传感器上电之后，要等待1 s以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令[5]。AM2301的引脚2为数据线DATA，用于CC2530与AM2301之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，测量精度分别为温度16bit，湿度16bit。

图4 接有传感器的CC2530电路Fig. 4 Circuit of CC2530 connected with sensors

TGS4161是由半导体气体传感器制造商Figaro几年前推出的一款长期稳定工作的二氧化碳传感器，供电电压为5 V，它由置于衬垫上的对二氧化碳敏感的固态电解质构成，并配有加热器，以减小环境温度改变对测量的影响；TGS4161非常脆弱，一个持续流经高阻抗传感器核心的电流就会烧毁它[6],所以设计中选用TLC271对传感器进行保护。传感器输出电平端通过TLC271与CC2530的AD端口P0_0相连接。

BH1750是一种不区分光源的数字型环境光强度传感器，供电电压为3.3 V，采用两线式串行总线接口的集成电路，根据收集的光线强度数据进行环境监测，具有1-65535lx（lx为光照强度单位）的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化[7]。设计的模块中，BH1750的SCL、SDA引脚分别与CC2530的P1_4和P1_5相连接。

2.4 锂电池供电电路

考虑到在温室大棚内使用CC2530需要在无人值守的情况下工作，连接传感器的CC2530以及CC2530路由节点均使用锂电池供电。锂电池供电电路如图5所示，左边部分为锂电池转3.3 V电路，右边部分为锂电池转5 V电路，转换芯片选用LTC3440。

本设计采用市面上最常用的锂电池作为电源，可充电的锂离子电池的额定电压为3.6 V。锂离子电池的放电曲线平坦，可以保证CC2530模块收发数据时具有更好的线性特征。Linear Technology公司的LTC3440是一种高效率、固定频率、降压-升压型的DC/DC转换器，能够用单个电感器调节输出电压，使其高于、低于或等于输入电压，其输入和输出的电压范围均为2.5～5.5 V。LTC3440在所有的工作模式下都具备连续传送功能，非常适用于延长单节锂电池或者镍氢电池的工作时间[8]。其中锂电池转3.3 V电压用来给CC2530无线模块、BH1750传感器供电，锂电池转5 V用来给TGS4161传感器和AM2301传感器供电，如果接有CC2530模块的MSP430F149模块不与上位机间进行通讯，也可采用锂电池转3.3 V供电。

3 系统软件设计

本系统中MSP430F149的开发环境为IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30，CC2530的开发环境为IAR Embedded Workbench for 8051 8.10 Evaluation。CC2530所使用的协议栈为TI公司的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0。系统的软件流程图如图6所示，其中左边为与CC2530相连接的MSP430F149软件流程图，右边为连接传感器的CC2530数据采集发送流程图。

图5 锂电池供电电路Fig. 5 Lithium battery power supply circuit

图6 系统软件流程图Fig. 6 System software flowchart

4 结 论

该温室大棚数据采集系统以MSP430F149与CC2530为核心硬件资源，各电路工作稳定，系统搭建后无需人员长期值守，各采集模块独立工作。实际测试表明，该系统能够准确采集到温室大棚内的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据，并能够成功的发送给MSP430F149单片机，系统通过休眠机制大大降低了系统的功耗，在智能农业领域有着广阔的发展空间。

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