石建飛等

摘要：針對東北地區(qū)冬天蔬菜種植大棚的特點，提出并開發(fā)基于超低功耗單片機MSP430F169為核心的大棚多點溫濕度檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以長時間連續(xù)地測量、顯示、存儲和無線傳輸大棚的環(huán)境溫濕度信息，同時可進行多點溫濕度同時監(jiān)測。該設計具有簡單實用、測量精度高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、抗干擾能力強等優(yōu)點。

關鍵詞：蔬菜大棚；溫濕度；無線傳輸；MSP430F169

中圖分類號：TP274+.2 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）06-1435-04

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民的生活水平逐步提高，對蔬菜的需求日益增大；由于受季節(jié)的影響，蔬菜隨著季節(jié)的變化出現(xiàn)波動，尤其是冬天，蔬菜的種類相對單一，溫室大棚的出現(xiàn)解決了這一問題。近年來，溫室大棚發(fā)展迅速，規(guī)模龐大；但由于溫室大棚主要靠人工維護，近年來人工成本的提高和規(guī)模的擴大加大了管理難度，特殊農(nóng)作物對溫度和濕度的要求很高，溫室環(huán)境的變化不能及時被發(fā)現(xiàn)，單純的人工管理無法滿足需求；此次設計針對大棚內溫濕度的檢測，開發(fā)出了蔬菜大棚多點無線溫濕度檢測系統(tǒng)，便于實時查看大棚內每個檢測點的溫濕度數(shù)值或查詢歷史記錄。

蔬菜大棚多點無線溫濕度檢測系統(tǒng)設計運用了2.4G多點無線傳輸和低功耗技術，因此能夠長時間實時反映大棚內各個角落溫濕度的變化，為生產(chǎn)提供準確的溫濕度信息，便于管理人員實時處理溫濕度過高或過低的問題。

1 系統(tǒng)組成及其功能

由于蔬菜大棚分布分散、布線供電麻煩、成本高，所以系統(tǒng)設計時采用電池供電方式。為了能長時間使系統(tǒng)穩(wěn)定工作，系統(tǒng)中各種器件的功耗、性能都要求很高，因此采用德州儀器的超低功耗MSP430系列單片機作為主控制器，以超低功耗的nRF24L01芯片進行2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸，利用超低功耗數(shù)字式溫濕度傳感器DH80作為溫度傳感器、濕度傳感器[1]。整個溫濕度采集節(jié)點休眠時電流為50 μA左右，而平均工作電流為700～800 μA。單片機通過數(shù)字式溫濕度傳感器采集現(xiàn)場溫濕度信息，然后通過2.4G無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到接收節(jié)點上，同時接收端將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)、節(jié)點編號和DS1302提供的實時時間一并存儲到SD卡中，并且在液晶顯示屏上顯示這些數(shù)據(jù)，也可以通過在接收端的串口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機上顯示和存儲。接收端還可通過控制按鍵設置各個節(jié)點溫濕度的上下限報警值，一旦采集節(jié)點的溫濕度超過了設定的值，單片機就會通過蜂鳴器發(fā)出報警，提示工作人員進行相應的處理操作。

蔬菜大棚多點無線溫濕度檢測系統(tǒng)主要分兩大部分：采集部分和顯示部分。數(shù)據(jù)采集部分包括溫室環(huán)境的溫度信息的采集、濕度信息的采集、無線傳輸模塊和供電電池4部分。顯示部分由LCD顯示、2.4G無線數(shù)據(jù)接收、SD卡數(shù)據(jù)存儲、控制按鍵、實時時鐘等組成。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 主控制器

系統(tǒng)主控制器主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、設置、發(fā)送和接收報警等功能，是整個系統(tǒng)的核心。由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用CR2032鋰電池供電，因此要求控制器的功耗必須低，并且速度要快，性能可 靠[2]。因此，主控制器選用德州儀器的超低功耗MSP430F1121A單片機，其優(yōu)點是采用馮·諾依曼結構，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空間內，最大尋址地址為62 kB（60 kB Flash，2 kB RAM）。最高運算速度為8MIPS[3]。此款單片機有5種省電工作模式，從LPM3待機模式（消耗2.6μA@VCC=3）恢復到正常工作模式（消耗500μA@VCC=3，1MIPS）的喚醒時間小于6 μs，且允許雙外部工作頻率輸入，其內部整合了多款低功耗外圍模塊。MSP430系列單片機的電源采用的是1.8～3.6 V電壓，工作電壓很寬因而可以使用電池供電[4]。當單片機在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流為200～400 μA，其他性能包括速度、可靠性等方面也符合系統(tǒng)要求。

2.2 傳感器電路

傳感器采用的是DH80數(shù)字式溫濕度一體化傳感器，其特點是價格便宜、精度高、測量范圍寬、誤差偏移小、使用壽命長、工作電壓寬、功耗低等[5]。各方面性能都符合本設計的要求。電路如圖2所示。

傳感器采用的是標準的I2C總線，只有時鐘、數(shù)據(jù)兩根線，節(jié)約了單片機的I/O口，為了提高單片機的通信穩(wěn)定性，分別在數(shù)據(jù)線和時鐘線上加了47 kΩ的上拉電阻。

2.3 存儲電路

為便于觀察和指導大棚內植物的生長，需要把每天每個采集點的實時溫度值、濕度值和采集時間存儲起來。由于整個作物生長期內都要檢測，所以系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)較多，一般的存儲設備不能滿足要求。由于SD卡具備體積小、可擦寫、存儲容量大、非易失性以及價格低等特點而被廣泛應用于消費類電子產(chǎn)品中[6]。因此，系統(tǒng)選擇了4G的SD卡作為存儲設備（圖3），滿足了系統(tǒng)需要。

2.4 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

nRF24L01是由NORDIC公司生產(chǎn)的工作在2.4～2.5 GHz的ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片[7]。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強型“ShockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器和解調器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置，通信速度可達10 MB/s，大大提高了無線通信抗干擾能力并且具有多個無線信道，同時nRF24L01本身具備休眠模式，因此功耗也符合本設計要求。nRF24L01接口電路如圖4所示，D2是為了防止電源極性接反設計添加的。

2.5 與上位機的通信模塊

如何把PC機或上位機的數(shù)據(jù)傳到下位機中，這就需要串行通信接口以及接口器件，同時必須有標準的通信協(xié)議。

串行通信接口是連接計算機、終端、通信控制器等設備之間的物理接口，RS-232是PC通信應用中最成功、比較典型的串行數(shù)據(jù)標準[8]。RS-232最初只用在微機中支持調制解調器和打印機連接，由于通信接口與設備制造廠商都生產(chǎn)與RS-232兼容的通信設備，因此它已成為微機串行通信接口中廣泛采用的一種標準。

RS-232采用非平衡連接，信號電壓加到一條導線上，所有的信號電壓都使用一個公共的接地線[9]。為了提高抗干擾能力和增加傳送距離，RS-232的每個腳線的信號和電平規(guī)定采用負邏輯電平，DC（-15～-5V）規(guī)定為邏輯“l(fā)”，DC（+5～+15V）規(guī)定為邏輯“0”，-5～+5V規(guī)定為過渡區(qū)。由于計算機接口或終端的電平TTL或MOS與RS-232通信接口的邏輯電平不兼容，必須在RS-232與電平TTL之間進行電平和邏輯關系的變換。例如采用MC1488、SN7515O芯片可完成電平TTL到EIA的轉換；采用MC1489、SN75154芯片可實現(xiàn)電平EIA到TLL的轉換。如果采用MAX232接口芯片可實現(xiàn)電平TLL和EIA的雙向電平轉換。

RS-232-C標準規(guī)定，驅動器允許有2 500 pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150 pF/m的通信電纜時，最大通信距離為15 m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20 m以內的通信。

考慮到在通信時不存在距離過長等問題，該研究采用RS232標準，利用MAX232芯片的雙向轉換完成TTL-EIA和EIA-TTL的電平轉換。其硬件電路連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 與上位機的通信軟件部分

軟件在此處向上位機輸出位置數(shù)據(jù)以及接收控制命令。以個人計算機（PC）作為上位機，與單片機之間以幀為通信單位。該設計MCU不主動向計算機發(fā)送信息。PC根據(jù)需要發(fā)送命令幀，MCU完成相應功能后將發(fā)送應答幀。命令幀（PC至MCU）和應答幀（MCU至PC）的格式是相同的，二者的幀內容有所不同。

上位機和下位機的約定如下，幀格式總字節(jié)數(shù)+幀命令+幀內容+校驗和；總字節(jié)數(shù)：該幀包含的字節(jié)總數(shù)用1個字節(jié)表示；幀命令：該幀的功能用1個字節(jié)表示；幀內容：研究中上傳溫濕度數(shù)據(jù)用4個字節(jié)表示；校驗和：將總字節(jié)數(shù)、幀命令和幀內容所有字節(jié)計算出的校驗和用1個字節(jié)表示。其中幀內容長度只代表幀中數(shù)據(jù)的長度。實際上整個一幀中除了“幀內容”外，還包括“總字節(jié)數(shù)”、“幀命令”、“校驗和”3個字節(jié)。波特率=9 600baud；字節(jié)格式=1啟始位、8數(shù)據(jù)位、無校驗位、1停止位；約定傳輸數(shù)據(jù)命令特征碼為254，即十六進制數(shù)為0xfe。

由上位機向下位機發(fā)送字節(jié)數(shù)和命令，下位機根據(jù)命令將位置數(shù)據(jù)傳給上位機，下位機在傳輸完數(shù)據(jù)后，繼續(xù)進行數(shù)據(jù)處理，等待下一次中斷控制信號到來。上位機可以采用Delphy或VB6.0編制，實現(xiàn)波特率的匹配、命令字的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的接收和處理。

3.2 nRF24L01程序設計

nRF24L01的各種命令字都只有一個字節(jié)，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等[10]。在輸入任意命令字的同時，MISO輸出STATUS寄存器的內容。nRF24L01的ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數(shù)據(jù)模式的區(qū)別是：后者比前者多一個確認數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。按Enhanced ShockBurst模式初始化，重新發(fā)送等待時間為250 μs，重新發(fā)送次數(shù)為10次，地址是RX_ADR_WIDTH，輸出功率為0dBm，速度為1 Mb/s。nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)。函數(shù)中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。在接收端將nRF24L01配置為接收模式，地址是RX_AW，nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)。整個操作過程如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)的主程序設計

軟件流程圖如圖7所示。軟件設計中，上電初始化完成對CPU、液晶顯示器、實時時鐘等的初始化；CPU控制傳感器采集數(shù)據(jù)并通過無線模塊發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)在LCD上顯示，并存儲在SD卡中，根據(jù)不同作物不同生長時期判斷溫濕度。如果超出設定范圍，就通過蜂鳴器發(fā)出警報，否則檢測是否到達定時發(fā)送時間。如果到達，發(fā)送當天傳感器采集到的上限值、下限值和平均值，讓工作人員了解一天內溫室內環(huán)境的變化規(guī)律。

4 小結

該設計方案通過在黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局的859農(nóng)場示范園區(qū)的溫室蔬菜大棚現(xiàn)場試驗，證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定、測量精度高、操作方便簡單、實用性強等，為進一步提高溫室蔬菜大棚的全自動、智能化作業(yè)提供可靠保證。

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