一种基于MSP430和CC2530的温室大棚数据采集系统设计

摘要：设计基于单片机为主控制单元，CC2530为数据采集单元的温室大棚数据采集系统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，对温室大棚内的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度进行采集，并将采集到的数据发送给配有CC2530模块的MSP430F149单片机，由单片机对收到的数据进行分析处理并发给上位机存储显示。给出了系统的整体框图、采集电路和系统软件流程图。实际测试表明，系统能够准确的完成温湿度、二氧化碳浓度和光照强度的采集，功耗较低，具有智能化传感器网络的特点，在智能农业领域有着很好的市场前景和推广价值。

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。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。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。

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1μA，在RAM数据保持方式时仅耗电0.1μA，活动模式时耗电250μA。在系统中共有1种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LP M0-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。

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。

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。

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。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。