基于MSP430單片機(jī)的小氣候采集系統(tǒng)

摘要：現(xiàn)有的農(nóng)田小氣候要素主要靠人工獲取，耗時(shí)費(fèi)力；現(xiàn)有專業(yè)設(shè)備過于昂貴，不利于組建高密度的觀測(cè)網(wǎng)。本系統(tǒng)是基于MSP430的小氣候采集系統(tǒng)，精度高，超低功耗，可以在設(shè)備自身供電的條件下長(zhǎng)時(shí)間在野外測(cè)量數(shù)據(jù)。且由于設(shè)備成本較低，可以利用多個(gè)設(shè)備組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，并通過終端設(shè)備遠(yuǎn)程設(shè)定采樣頻率，從而對(duì)某一區(qū)域的土壤溫濕度，空氣溫濕度，光照強(qiáng)度等信息做詳細(xì)的記錄。
關(guān)鍵詞：MSP430；傳感器；農(nóng)業(yè)信息采集；無線傳輸

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
    基本電路由MSP430F149單片機(jī)驅(qū)動(dòng)外圍的傳感器設(shè)備，土壤溫濕度傳感器(5TM)、空氣溫濕度傳感器(SHT11)、光強(qiáng)度傳感器(S1087)分別負(fù)責(zé)采集土壤溫濕度、空氣溫濕度和光強(qiáng)度，可根據(jù)預(yù)設(shè)時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可通過存儲(chǔ)集中傳輸?shù)哪Ｊ接缮漕l傳輸模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離的傳輸。由于所采用的傳感器響應(yīng)時(shí)間短，可作為便攜式手持設(shè)備使用，從而大大提高測(cè)量速度，提高測(cè)量效率。

2 硬件部分
    溫濕度傳感器SHT11：SHT11傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專業(yè)的工業(yè)CMOS過程微加工技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。測(cè)濕精度±3．0[％RH]，測(cè)溫精度±0．4[℃]在25℃。傳感器包含一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕原件和一個(gè)隙式測(cè)溫原件并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。此產(chǎn)品具有超快響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，每個(gè)SHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)試中進(jìn)行校準(zhǔn)。數(shù)字信號(hào)的整個(gè)傳輸過程由CRC-8校驗(yàn)，任何錯(cuò)誤數(shù)據(jù)將被檢測(cè)到并清除。SCK接P1．4口，為串行時(shí)鐘輸入引腳，用于微MCU與SHT11之間的通訊同步。SDL接P1．5口，用于數(shù)據(jù)的讀取，在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。
    5TM土壤溫濕度傳感器：利用水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素這一特點(diǎn)，通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)并通過公式來精確得出土壤的真實(shí)濕度，另外為了更加準(zhǔn)確地反應(yīng)所測(cè)對(duì)象的濕度，5TM對(duì)國(guó)際上慣用的經(jīng)典算法進(jìn)行了改進(jìn)，提供了面向不同測(cè)量對(duì)象的算法供用戶調(diào)用，從而大幅地提高了所測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。靜態(tài)工作電流0．3mA，測(cè)量電流10mA，測(cè)量時(shí)間150ms，保證了設(shè)備快速測(cè)量和低功耗的特性。工作頻率70MHz，測(cè)量時(shí)OUT接P5．1口，向單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)，VCC和GND分別接電源端和地端。測(cè)量濕度托普方程精度為±0．03m／m(±3％VWC)，采用修正后的方程精度可達(dá)(±1％～2％VWC)。溫度測(cè)量在-40℃～50℃時(shí)分辨率0．1℃，精度可達(dá)±1℃。
   
    硅光電池：硅光電池S1133是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，核心部分是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)二極管的管芯(PN結(jié))受到光照時(shí)，由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生回路電流。由于硅光電池的PN結(jié)面積比二極管的PN結(jié)大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流也大得多。利用光伏效應(yīng)可以將光強(qiáng)度的變化量通過電流變化的線性關(guān)系反映出來，再通過放大電路將信號(hào)進(jìn)行放大，依據(jù)他們之間的線性關(guān)系測(cè)得光強(qiáng)度。
    K9F1G08U1A外部存儲(chǔ)芯片：由于單片機(jī)的存儲(chǔ)資源有限，為了能有效地存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，此處使用了Samsung公司推出的K9F1G08U1A外部存儲(chǔ)器件來擴(kuò)展設(shè)備的存儲(chǔ)容量。NAND FLASH芯片具有ROM存儲(chǔ)器的特點(diǎn)，在斷電的情況下仍可以長(zhǎng)時(shí)間保存數(shù)據(jù)。電源電壓2．7V～3．6V，與MSP430F149一致，低功耗，容量可達(dá)128M×8Bit，K9F1G080M芯片提供了一根狀態(tài)指示信號(hào)線R／B接P4．5，該信號(hào)為低電平時(shí)，表示FLASH可能正處于編程、擦除或讀操作狀態(tài)；為高電平時(shí)，則表示為準(zhǔn)備好狀態(tài)。NANDFLASH存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)線與地址線復(fù)用為8條線，另外還提供了命令控制信號(hào)線。因此，NAND FLASH存儲(chǔ)器不會(huì)因?yàn)榇鎯?chǔ)容量的增加而增加引腳數(shù)目。本系統(tǒng)中，K9F1G08U0M的數(shù)據(jù)輸入輸出口與單片機(jī)的P 2端口相連。片選信號(hào)與單片機(jī)的P 2．4相連，CLE(命令鎖存控制端)、ALE(地址鎖存控制端)、RE(讀操作控制端)、WE(寫操作控制端)分別通
過控制單片機(jī)P4．1、P4．2、P4．3、P4．4引腳的電平，決定對(duì)FLASH進(jìn)行控制字操作、地址操作、寫操作還是讀操作。在此不須使用寫保護(hù)功能，所以接高電平。
    無線傳輸模塊：為了便于各傳感器間相互通信，系統(tǒng)外接了nRF905射頻模塊，NewMsg-RF905模塊使用Nordic公司的nRF905芯片開發(fā)而成，該模塊通信距離可達(dá)1km，便于組建大范圍的無線網(wǎng)絡(luò)。工作頻率433／868／915M，最大輸出功率20dbm，傳輸速率0．128～256kbps。節(jié)電模式時(shí)工作電流為2．5μA。

    MSP430F149單片機(jī)簡(jiǎn)介：MSP430F149單片機(jī)是美國(guó)德州儀器公司推出的16位超低功耗單片機(jī)，端口P1-P6都可以使用位尋址方式，P1和P2口所有8個(gè)位都具有外部中斷處理、輸入／輸出、外部模塊功能。這些功能都可以通過它們各自的7個(gè)控制寄存器的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，P3、P4、P5和P6沒有中斷能力，豐富的端口使其可以連接多個(gè)外圍設(shè)備，60kB的FLASH和2kB的RAM使程序的編寫具有更高的靈活性，等待方式工作電流為0．7μA，RAM保持的節(jié)電方式工作電流為0．1μA，4kHz模式時(shí)工作電壓為2．2V，電流為3μA，1MHz模式時(shí)工作電壓為2．2V，電流為160μA。特有的低功耗和喚醒模式使單片機(jī)的能耗更低。內(nèi)部采用I2C通信模式減少電路間的連線，減小了電路板的尺寸，另外內(nèi)部集成了看門狗、時(shí)鐘模塊、定時(shí)器、液晶驅(qū)動(dòng)模塊、硬件乘法器、模數(shù)／數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，極大地豐富了單片機(jī)的功能，所以MSP430單片機(jī)被廣泛用于工業(yè)控制、智能化的儀器儀表計(jì)算機(jī)外部設(shè)備等高端領(lǐng)域。

3 通信部分
3．1 系統(tǒng)自檢測(cè)
    由于本系統(tǒng)需要長(zhǎng)期在野外獨(dú)立工作，系統(tǒng)內(nèi)加入了自檢測(cè)程序。開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行自檢測(cè)，如檢測(cè)不通過設(shè)備會(huì)自動(dòng)復(fù)位，通過后進(jìn)入初始化。判斷是否有按鍵輸入，如沒有則根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間進(jìn)行信息采集和存儲(chǔ)，結(jié)束后系統(tǒng)再次進(jìn)行自檢測(cè)，通過后系統(tǒng)進(jìn)入休眠模式。按鍵輸入可喚醒系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)信息并顯示，結(jié)束后系統(tǒng)再次進(jìn)行自檢測(cè)。通過多次的系統(tǒng)自檢測(cè)保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。
3．2 數(shù)據(jù)傳輸
3．2．1 發(fā)送流程分如下幾步
    (1)當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送給RF950，SPI接口的速率在通信協(xié)議和期間配置時(shí)確定；
    (2)控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)RF905的ShockburstTM發(fā)送模式；
    (3)RF905的ShockburstTM發(fā)送：
    ●射頻寄存器自動(dòng)開啟；
    ●數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC效驗(yàn)碼)；
    ●發(fā)送數(shù)據(jù)包；
    ●當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；
    (4)AUT0_RETRAN被置高，RF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；
    (5)當(dāng)TRX_CE被置低，RF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。
    數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖3。

3．2．2 數(shù)據(jù)接收流程
    (1)當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為底時(shí)，RF905進(jìn)入ShockburstTM接收模式；
    (2)650us后，RF905不斷監(jiān)測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)；
    (3)當(dāng)RF905檢測(cè)到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳被置高；
    (4)當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，AM引腳被置高；
    (5)當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，RF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把DR引腳置高；
    (6)微控制器把TRX_CE置低，RF905進(jìn)入空閑模式；
    (7)微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移動(dòng)到微控制器內(nèi)；
    (8)當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，RF905把DR引腳和AM引腳置低；
    (9)RF905此時(shí)可以進(jìn)入ShockburstTM接收模式、ShoekburstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖4。

4 結(jié)論
    基于單片機(jī)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，開發(fā)了用于農(nóng)業(yè)環(huán)境信息采集與傳輸裝置。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，本系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量作物的生長(zhǎng)環(huán)境，并對(duì)農(nóng)田小氣候進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了可靠的生長(zhǎng)環(huán)境信息采集系統(tǒng)，對(duì)水稻等農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控，具有重要的實(shí)踐意義。作為手持設(shè)備使用時(shí)由于傳感器具有優(yōu)良的特性，保證了測(cè)量的精度，極大地提高了測(cè)量效率，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。