基于MSP430无线温湿度监测系统设计

戴建华

(1.江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心，江苏 无锡 214153；2.无锡商业职业技术学院 物联网技术学院，江苏 无锡 214153)



基于MSP430无线温湿度监测系统设计

戴建华1，2

(1.江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心，江苏 无锡 214153；2.无锡商业职业技术学院 物联网技术学院，江苏 无锡 214153)

摘 要：随着技术的进步、生活质量的提高，对环境的要求也越来越高，温湿度是环境舒适度的重要指标.开发实用、价廉的无线监测系统有很大的市场前景.系统利用无线传感器网络技术，通过各类集成传感器进行实时监测、采集温湿度的信息，基于MSP430单片机、ZigBee技术将信息传达给用户，具有快速、可靠、低功耗、低成本等优点，适合于家庭温湿度监测.系统也可通过更换外围传感器进行其它监测，扩展性较强，可用于环境的其它监测.

关键词：低功耗；无线控制；温湿度；CC2420

无线温湿度监测系统基于ZigBee协议设计无线节点，节点利用低功耗的MSP430单片机和CC2420射频芯片进行监测，实时对环境温度、湿度进行采集，自动校正，把监测数据通过ZigBee传输给系统.系统设备具有小体积、低功耗、兼容性强，可混合组网，实现应用层的兼容，程序开发方便，实现ZigBee网络的最大优化.系统设计框图如图1所示.

图1　系统设计框图

1 硬件设计

1.1 微处理器模块设计

微处理器模块接口电路图如图2所示.主要由MSP430F核心片和JTAG接口构成微处理器电路，4线J TA G接口电路完成烧写和调试功能.MSP430是一种超低功耗的混合信号控制器，特别适合于无直供电源的场合.MSP430时钟模块有一个数字控制的DCO振荡器，当振荡器不工作时，主时钟MCLK的时钟源由DCO振荡器自动完成.由振荡器失效引起的中断请求(NMI)可以得到响应，甚至CPU不工作也给予响应.MSP430允许符合要求任意的中断请求在低功耗模式下工作，低功耗特性明显.MSP430有一种活动模式和五种低功耗模式[1]，如表1所示.

图2　微处理器模块接口电路图

表1　MSP430工作模式

图3　SHT11温湿度传感器外形和引脚图

1.2 温湿度采集模块设计

主要由传感器与微处理器的接口电路构成温湿度采集模块.在传感器的选择中，考虑量程、精度、功耗，选用SHT11温湿度传感器，外形和引脚图如图3所示.SHTxx属于高集成度温湿度传感器芯片，有数字信号全量程输出.SHT11温湿度传感器预先在OTP内存中存入校准系数.将校准的温度和湿度通过A/D(14 位)转换器转换，将转换后的数字量送给MCU，这样就产生了符合I2C总线协议的串行数字信号[2].由于传感器内本身带有A/D转换模块等处理电路，所以电路得以大大简化.传感器的抗干扰性能通过内部放大器得以提高，确保传感器的稳定性，将模拟信号通过A/D转换器转换，提高抗噪声干扰能力，即降低敏感度；通过校准数据比对和转换提高数据的互换性；传感器通过I2C总线进行数据输出，实现与其他的MCU、控制器系统连接，接口电路得以简化，硬件成本减少.

与微控制器的接口如图4所示.SHT11的接口在功耗以及信号读取方面做了优化，类似于I2C总线与微处理器相连接.SHT11上3脚SCK与MCU的P2.1I/O口相连，实现数据的通信.I/O口提供模拟时钟信号，对时钟频率没有要求，接口内本身含有静态逻辑.当供电小于4.5 V、数据频率高于1 MHz时，数据的读取由三态门DATA实现.当时钟SCK上升沿过后、DATA和SCK下降沿时，状态改变.SCK保持高电平，DATA不发生变化即保持0或1时，完成数据传输.MCU控制DATA保持低电平时，防止信号发生冲突，工作时通过外部上拉电阻将信号拉至高电平上[2].

图4　与微控制器的接口图

SHT11温度计算为

式中：SOT为输出的测量值；d1，d2分别为温度转换系数位；T为测得的温度，转换精度与供电值有关系.

湿度计算为

式中：SORH为输出的湿度值；C1、C2、C3为湿度转换系数.

为避免信号干扰，在布板时要求CP线和Date线平行且间距增加，间距太小会引起信号丢失和串扰.在VDD或GND放置信号线之间或者在电源引脚(VDD，GND)之间放置一个100 nF的去耦滤波电容可以解决此问题.元件布板时，SHT11尽量不与发热的元件放置在一起，覆铜SHT11周围要有空隙，用来减少板子和器件的热传导.

图5　CC2420外围电路图

表2　外围电路图的器件参数

1.3 无线通信模块设计

无线通信模块采用Chipcon公司的2.4 GHz射频芯片CC2420来实现，外围连接电路如图5所示，外围电路图的器件参数见表2.CC2420具有2.4 G ISM工作频带(免授权)、250 kbp/s的数据传输率，支持CSMA/CA、200 m的传输距离；集成电源监控模块、RSSI模块和信道变换模块，方便节点测距.通过MAC和CRC硬件自动校测，接收灵敏度能达到-94 dBm.工作在2.4 GHz，CC2420外部电路非常简单.

CC2420芯片是低电压供电，电压值在2.1～3.6 V，在休眠模式下可以很快被激活，工作再休眠状态可以减少大部分的能耗，功耗变低.CC2420在不同典型工作状态下电流消耗值如下：关闭稳压器电流为0.02 μA，工作低电位为20 μA，空闲状态为420 μA，接收状态为19 mA，发送状态为17 mA.

CC2420的内部框图如图6所示，从天线接收信号到射频信号的发射，通过低噪声放大器LNA(low noise amplifier)，再经过正交平衡调制变成中频信号(2 MHz)，中频信号女中有正交变量和同向变量2个分量.正交变量和同向变量再经滤波器滤波、放大器放大，模数(A/D)转换器变成数字信号.以数字信号的形式处理ADC(自动增益控制)、选择信道、解码及字节同步等过程[3].

大部分的MSP430内都集成了SPI控制器，SPI接口完成CC2420与处理器的接连，进行功能参数设置和数据收发两个功能，与CC2420连接简单，配合方便.MSP430和CC2420的接口电路如图7所示，CC2420通过SFD、FIFO、FIFOP 和CCA4四条线接口与MSP430连接表示收发数据的状态.CSn、SI、SO、SCK连接到MSP430的4 个SPI通信接口，GND、RESETn、DVDD、VREGEN4线进行数据传输，MSP430通信的主设备、从设备就是CC2420.MSP430通过SCK引脚提供时钟频率，CSn片选引脚控制数据收发的同步性，CSn为低电平时，进行数据的接收和发送；数据输入是SI引脚，数据输出是SO引脚.在发送完数据和接收完数据后，就接收数据帧信号，引脚SFD置为高电平，在没有地址辨识的情况下，直接完成该帧数据的接收，之后，引脚SFD置为低电平.如果辨识没通过，置为低电平.FIFO中缓冲区的信号由FIFO、FIFOP引脚信号接收完成.如果FIFO缓冲区有数据信号，引脚FIFO输出高电平；如果缓冲区没信号，引脚FIFO输出低电平.寄存器会设置一个临界值，当FIFOP引脚接收到一个完整帧超过值时，或者缓冲区的数据超过该值时，输出高电平.在接收状态信道有信号时，CCA引脚输出高电平.

图6　CC2420内部框图

图7　CC2420与MSP430的接口电路

1.4 射频通信模块的设计

射频通信模块由天线和阻抗匹配设计两部分构成，保证射频芯片的输出功率，是射频模块设计的难点.天线的选择对无线通信质量影响较大.本节点CC2420射频芯片采用单极和PCB引线两种方式，PCB一般采用倒F型方案.通过PCB板上的铜箔作为引线天线，通过铜箔感应电波、接收信号.PCB天线的形状、尺寸根据数据手册设计.本文中天线的设计参考CHIPCON的天线设计PCB引线部分设计.能达到+3.3 dB的最大增益输出，大小为7.5 mm×25.7 mm，50 Ω的输入阻抗匹配，无需外围元件[3].PCB板上设计天线有小体积、低成本、高性能的特性，满足通信的需求.在电路板上利用EDA软件设计一个反向F型天线，布线图及尺寸如图8所示，单位为mm.

CC2420射频信号的最佳差分负载是115+j180 Ω，传送方式采用的是差分方式，根据差分电路调整阻抗匹配数值.本设计采用巴伦(BALUN)电路作为阻抗匹配电路，天线为50 Ω的单极子型.巴伦电路依据天线理论，偶极型天线作为平衡型天线，同轴电缆作为不平衡天线，两者之间不可以直接连接，同轴电缆外皮是金属导电的，会有高频电流流过，高频电流对天线的辐射产生较大的干扰，所以，电缆和天线间增加平衡转换器，抑制流入电缆屏蔽层外部的电流.巴伦电路由低廉的L和C构成，L1、L3和70 Ω，23°的传输线用于阻抗匹配，L2用于RF 模块，C2用于DC 模块.除此之外，射频信号的正确相位通过一个1/2 波长的导线调整.详细布线尺寸如图9所示.为确保电路性能的稳定，阻抗匹配要完好，PCB导线长度设计、L2的连接点位置确定、L2和L3之间的导线走向严格按规定设计[4-5].该设计经过了TI的实验和论证，性能稳定.

图8　PCB反向F天线设计外形及尺寸

图9　巴伦电路PCB布线设计

1.5 供电模块设计

在无人区域或是环境恶劣的地区，需要布置无线传感器网络.网络要具有可移动，电源一般采用电池供电，降低系统的功耗作为硬件选择的主要方面，模块的供电必须为低压，选择1.8～3.6 V的电压保证各模块正常工作，2节AA电池就可以完成节点的供电.电池容量为1 500 mAH，按照1次/s温湿度采集频率，至少工作半年时间，供电电路设计如图10所示.3～5 V的电压或者选择匹配电源通过JTAG仿真器提供，通过开关用于电源之间的切换，在烧写和调试程序的时候采用JTAG提供的3～5 V供电；在无人工作环境中用开关选择电池供电，这样电源电路设计得以简化，考虑到很多模拟传感器需要5 V供电，所以，在设计时提供一个备用的直流电源转换电路，提供5 V电压输出，如图11所示.

图10　供电模块电路设计

图11　备用电源电路设计图

2 软件设计

本系统的软件设计主要包括数据采集和数据通信两部分.

2.1 温湿度采集程序的设计

SHT11温湿度采集程序设计如图12所示.其步骤为：①硬件初始化，“启动传输”信号发送，硬件被初始化；②发送采集温度命令，采集温度命令有3个地址位，地址位支持000，5个命令位包含读寄存器、写寄存器、温度采集、湿度采集、复位，SHT11的产品手册有详细说明；③SHT11通过ACK信号完成命令的接收，在SCK时钟(第8)的下降沿之后，将数据信号DATA置为低电平，经过一个CPI脉冲，释放DATA；④根据测量时间和精度的设计，控制器要等待10～200 ms的时间，采集结束后进行工作，当DATA变为低电平时，说明测量结束；⑤传感器与微控制器之间的通信，传感器将2个字节测量数据和1个字节奇偶校验数据发送给微控制器.微控制器将DATA置为低电平，进行字节确认.将DATA置为高电平表示通信的结束.结束后，传感器进入休眠状态.

2.2 数据通信程序的实现

数据通信程序主要包括接收和发送两部分，由CC2420驱动完成接收和发射的程序.根据IEEE802.15.4标准对封装进行校验，对帧格式进行检测.CC2420发送和接收流程如图13所示.

图12　温湿度测量流程图

图13　CC2420发射和接收流程图

发射和接收模式由调制解调控制寄存器.模式0为缓冲模式，TX_MODE 0为缓冲发射模式，数据存放在TX FIFO缓冲器(128字节)内；RX_MODE 0为接收模式，数据存放在RX FIFO 缓冲器(128字节) 内.CC2420完成数据包的接收后，SFD引脚被置为高电平，中断被触发(IRQ)，通过调用MACISR中断服务程序完成数据信号的接收处理，中断服务程序判断RXFFIO缓冲区是否溢出，完成接收的处理，系统通过ZigBee协议栈中的MAC控制层进行数据处理[6-9].把数据进行IEEE802.15.4协议数据帧的封装处理作为数据的发送处理，数据的传输经SPI总线完成.数据发送在CSn引脚保持低电平进行，当高电平时，FIFO缓冲器访问结束.发送停止是在缓冲器TXFIFO没有字节写入时，发出下溢CP完成.缓冲器RXFIFO能完成读写的双向操作，一般写入RXFIFO程序用于调试或安全的操作.RXFIFO缓冲器通过FIFO和FIFOP引脚完成接收模式状态选择，在缓冲器RXFIFO接收到完整信号帧或者字节超过门限值时，引脚FIFOP置为高电平，引脚FIFO置为低电平，中断信号发给微处理器，通过中断实现信息的接收[8].

3 结论

通过实验验证，系统达到设计基本要求，实现在ZigBee无线网络中对温度和湿度的采集和测量，并进行数据的传输.在硬件选择方面，传感器考虑测量要求，选择低供电、低功耗的数字型传感器，能自动进入休眠状态；处理器方面选用MSP340系列处理器，MSP340是以低功耗闻名的；无线模块采用CC2420芯片与mA级，两者结合在功耗方面表现出色；软件设计也考虑功耗的问题，在协议栈的事件轮询机制，没有事件发生，CPU则进入休眠状态.采用3 V的供电电压，温湿度采用12 bit测量，采样频率为1次/s[10-12].各模块的功耗如表3所示.由表3可以测算每小时的功耗为395.2×3 600/(1 000×3 600) =0.395 2 mAH，2节AA电池，3 000 mAH的存储电量，运行为3 000/0.395 2=7 591.09 h≈316 d，而实际的工作中，没有全天候在测量，很多时候在休眠状态，所以2节AA电池可工作1年以上的时间，满足测量的需求.

在网络系统中，利用TI的协议栈，TI是免费提供的，系统的成本主要在硬件平台，MSP340+CC2420是一种外围设备十分少的设计方案，降低了器件成本，通过实验测试，平台运行稳定.由于硬件平台存在升级的可能，系统采用的芯片型号是MSP430FG4618，MSP430系列芯片TI公司在不断升级和扩容，其中4XXX系列的最大扩容到1 G，而引脚却是兼容的.所以如果MSP430FG4618资源无法满足，可以直接进行芯片更换，不用进行板子更换.CC2420和CC2430都是依据ZigBee标准实现平台的兼容，在体积要求比较高、而功能要求不高的节点，可以采用CC2430方案，程序结构采用网状拓扑方式，传感器节点扩展方便，容量更大.

表3　系统功耗估算

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(责任编辑：沈凤英)

A Design of Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on Msp430

DAI Jian-hua1，2
((1.Jiangsu Research and Development Center of Application Technology for Wireless Sensing System，Wuxi 214153，China；(2.School of Internet of Thing Technology，Wuxi Institute of Commerce，Wuxi 214153，China)

Abstract：With the development of technology and the improvement of the quality of life，much more is required of the environment，among which temperature and humidity are two important indicators of environmental comfort.The development of practical and inexpensive wireless monitoring system has great market prospect. Using wireless sensor network technology，integrating various sensors for real-time monitoring，collecting the information of temperature and humidity，and based on MSP430 microcontroller and ZigBee technology this system communicates information to the user. It has the advantage of high speed，reliability and low power consumption and cost，suitable for monitoring household temperature and humidity.The system can also be used for other monitoring by changing its peripheral sensor，including environmental monitoring.

Key words：low power consumption；wireless control；temperature and humidity；CC2420

作者简介：戴建华(1981-)，男，江苏溧阳人，实验师，硕士，主要从事电子技术、自动控制技术研究.

基金项目：江苏省无线传感系统应用工程技术开发中心横向课题(SYKJ14E10)

收稿日期：2015-08-08；修回日期：2015-09-02

中图分类号：TP277

文献标志码：A

文章编号：1008-5475(2015)04-0018-07