農作物的生長受到自然條件的影響，如溫濕度、二氧化碳濃度和光照等。随着計算機技術和無線傳感網絡的發展，用資訊技術改造農業尤其是農業溫室大棚是農業發展的必然階段。溫室環境檢測是實作溫室智能化控制的一個重要環節。如何有效的利用傳感器技術、自動檢測技術、通訊技術和計算機技術，研制出對溫室溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度等多種溫室環境要素進行測量的資料采集系統，是科技工作者面臨的重要課題。中國的智能溫室大棚起步較晚，已有的溫室大棚控制系統采集環境要素單一，技術還不夠成熟。是以，設計一套具有自主知識産權的溫室大棚資料采集系統是十分必要的。本文設計了一套使用超低功耗單片機MSP430F149為控制核心的溫室大棚資料采集系統，能夠實作對溫室大棚内的溫濕度、二氧化碳濃度和光照實時采集傳輸，由主要單元将采集到的資料經過分析處理後，通過USB發送到上位機進行實時顯示與存儲。該系統使用的硬體資源較少，電路工作穩定，功耗較低，便于攜帶和安裝。
1 總體設計
系統的總體結構圖如圖1所示。
CC2530連接配接溫濕度傳感器AM2301、二氧化碳傳感器TGS4161和光照傳感器BH1750，測出實時的溫度、二氧化碳濃度和光照強度，對這些資料進行處理後打包發送給CC2530路由節點，路由節點再将接收到的資料發送給帶有CC2530無線子產品的MSP430F149。MSP430F149對路由節點發送來的資料進行分析，濾除掉無效的資料，将資料通過USB發送給上位機存儲顯示。USB端口所起到的作用還有MSP430F149的BSL方式程式下載下傳。對于長度小于50米的溫室大棚，可以選擇合适的位置放置一個接有傳感器的CC2530子產品;對于長度較長的溫室大棚，可按照CC2530的一般傳輸距離适當增加CC2530子產品的數量。
2 系統硬體設計
2.1 接有CC2530無線子產品的MSP430F149電路
MSP430系列單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信号處理器。以MSP430F149為例，其主要特點有：1)超低功耗。待機電流小于1μA，在RAM資料保持方式時僅耗電0.1μA，活動模式時耗電250μA。在系統中共有1種活動模式(AM)和5種低功耗模式(LP M0-LPM4)。2)強大的處理能力。MSP430F149采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集結構，1個時鐘周期就可以執行1條指令。3)高性能模拟技術及豐富的片上外圍子產品。内部內建看門狗定時器、12位ADC、DMA控制器、基本定時器和串行通信(UART、IIC、SPI)等。
CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界标準的增強型8051CPU，系統内可程式設計閃存8KB RAM和許多其他的強大功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運作模式，使得它尤其适應超低功耗要求的系統。CC2530結合了TI公司業界領先的ZigBee協定棧(Z-StackTM)，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。
MSP430F149與無線子產品CC2530的電路連接配接如圖2所示。
此子產品設計利用了MSP430F149的超低功耗特點，通過串行通信UART模式與ZigBee相連接配接。當CC2530沒有進行接收資料時，為了節省能源，MSP430F149和CC2530均處于休眠狀态;當定時時間到時，MSP430F149和CC2530從睡眠喚醒，CC2530接收由路由器節點的CC2530傳送來的資料，并将資料通過序列槽傳輸給MSP430F149單片機，單片機對接收的資料進行分析處理之後，發送給上位機存儲顯示;之後兩者又同時進入休眠狀态，等待下一次喚醒時繼續接收資料，如此循環。
2.2 MSP430F149的USB轉序列槽電路
MSP430F149的USB轉序列槽電路如圖3所示。
MSP430F149的USB轉序列槽電路主要用于電路初期的測試、與上位機間的資料傳輸。序列槽晶片采用Silicon公司推出的USB接口與RS232接口轉換器CP2102。CP2102是一款高度內建的USB—UART橋接器，提供一個使用最小化元件和PCB空間來實作RS232轉換USB的簡便解決方案，包含了USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部數據機控制信号的異步串行資料總線。其中USB選用目前比較通用Micro-USB，在兩根資料線D+和D-上采用SP0503BAHT保護，用于抑制靜電阻抗和其它瞬态電壓，幫助保護資料、信号或者控制線路的模拟輸入。
2.3 接有傳感器的CC2530無線子產品電路
接有傳感器的CC2530的無線子產品電路如圖4所示。此子產品設計利用CC2530連接配接溫濕度傳感器AM2301、二氧化碳傳感器TGS4161和光照傳感器BH1750，實作對溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度的測量。由于溫室大棚内一天之中的環境變化不是特别明顯，通過實際考察，推算出各個環境變量的測量時間間隔。溫濕度的測量為10分鐘一次，二氧化碳的測量為2小時一次，光照強度為30分鐘一次，其它時間子產品均處于低功耗的睡眠狀态。當10分鐘定時時間到時，子產品從睡眠喚醒，對溫室大棚内的溫濕度進行采樣測量，将資料發送至CC2530路由節點，發送成功後繼續進入睡眠狀态;30分鐘定時時間到時，子產品從睡眠喚醒，對溫室大棚内的光照強度進行采樣測量，将資料發送至CC2530路由節點，發送成功後繼續進入睡眠狀态;2小時定時時間到時，子產品從睡眠喚醒，對溫室大棚内的光照強度度進行采樣測量，将資料發送至CC2530路由節點，發送成功後繼續進入睡眠狀态;這樣就完成了對溫室大棚内3種環境要素的測量。[page]
AM2301數字溫濕度傳感器采用專用的數字子產品采集技術和溫濕度傳感技術，確定産品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。AM2301的供電電壓為5 V，為4針單排引腳封裝。傳感器上電之後，要等待1 s以越過不穩定狀态，在此期間無需發送任何指令。AM2301的引腳2為資料線DATA，用于CC2530與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線資料格式，測量精度分别為溫度16bit，濕度16bit。
TGS4161是由半導體氣體傳感器制造商Figaro幾年前推出的一款長期穩定工作的二氧化碳傳感器，供電電壓為5 V，它由置于襯墊上的對二氧化碳敏感的固态電解質構成，并配有加熱器，以減小環境溫度改變對測量的影響;TGS4161非常脆弱，一個持續流經高阻抗傳感器核心的電流就會燒毀它，是以設計中選用TLC271對傳感器進行保護。傳感器輸出電平端通過TLC271與CC2530的AD端口P0_0相連接配接。
BH1750是一種不區分光源的數字型環境光強度傳感器，供電電壓為3.3 V，采用兩線式串行總線接口的內建電路，根據收集的光線強度資料進行環境監測，具有1—65535lx(lx為光照強度機關)的高分辨率，可支援較大範圍的光照強度變化。設計的子產品中，BH1750的SCL、SDA引腳分别與CC2530的P1_4和P1_5相連接配接。
2.4 锂電池供電電路
考慮到在溫室大棚内使用CC2530需要在無人值守的情況下工作，連接配接傳感器的CC2530以及CC2530路由節點均使用锂電池供電。锂電池供電電路如圖5所示，左邊部分為锂電池轉3.3 V電路，右邊部分為锂電池轉5 V電路，轉換晶片選用LTC3440。
本設計采用市面上最常用的锂電池作為電源，可充電的锂離子電池的額定電壓為3.6 V。锂離子電池的放電曲線平坦，可以保證CC2530子產品收發資料時具有更好的線性特征。Linear Teehnology公司的LTC3440是一種高效率、固定頻率、降壓-升壓型的DC/DC轉換器，能夠用單個電感器調節輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電壓，其輸入和輸出的電壓範圍均為2.5～5.5 V。LTC3440在所有的工作模式下都具備連續傳送功能，非常适用于延長單節锂電池或者鎳氫電池的工作時間。其中锂電池轉3.3 V電壓用來給CC2530無線子產品、BH1750傳感器供電，锂電池轉5 V用來給TGS4161傳感器和AM2301傳感器供電，如果接有CC2530子產品的MSP430F149子產品不與上位機間進行通訊，也可采用锂電池轉3.3 V供電。
3 系統軟體設計
本系統中MSP430F149的開發環境為IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 5.30，CC2530的開發環境為IAR Embedded Work beneh for 8051 8.10 Evaluation。CC2530所使用的協定棧為TI公司的ZStaek-CC2530-2.3.0-1.4.0。系統的軟體流程圖如圖6所示，其中左邊為與CC2530相連接配接的MSP430F149軟體流程圖，右邊為連接配接傳感器的CC2530資料采集發送流程圖。
4 結論
該溫室大棚資料采集系統以MSP430F149與CC2530為核心硬體資源，各電路工作穩定，系統搭建後無需人員長期值守，各采集子產品獨立工作。實際測試表明，該系統能夠準确采集到溫室大棚内的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度資料，并能夠成功的發送給MSP430F149單片機，系統通過休眠機制大大降低了系統的功耗，在智能農業領域有着廣闊的發展空間。
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