石建飛等

摘要：針對(duì)東北地區(qū)冬天蔬菜種植大棚的特點(diǎn)，提出并開(kāi)發(fā)基于超低功耗單片機(jī)MSP430F169為核心的大棚多點(diǎn)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)地測(cè)量、顯示、存儲(chǔ)和無(wú)線傳輸大棚的環(huán)境溫濕度信息，同時(shí)可進(jìn)行多點(diǎn)溫濕度同時(shí)監(jiān)測(cè)。該設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單實(shí)用、測(cè)量精度高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；溫濕度；無(wú)線傳輸；MSP430F169

中圖分類號(hào)：TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）06-1435-04

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民的生活水平逐步提高，對(duì)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(dòng)，尤其是冬天，蔬菜的種類相對(duì)單一，溫室大棚的出現(xiàn)解決了這一問(wèn)題。近年來(lái)，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(hù)，近年來(lái)人工成本的提高和規(guī)模的擴(kuò)大加大了管理難度，特殊農(nóng)作物對(duì)溫度和濕度的要求很高，溫室環(huán)境的變化不能及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，單純的人工管理無(wú)法滿足需求；此次設(shè)計(jì)針對(duì)大棚內(nèi)溫濕度的檢測(cè)，開(kāi)發(fā)出了蔬菜大棚多點(diǎn)無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)查看大棚內(nèi)每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的溫濕度數(shù)值或查詢歷史記錄。

蔬菜大棚多點(diǎn)無(wú)線溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)用了2.4G多點(diǎn)無(wú)線傳輸和低功耗技術(shù)，因此能夠長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)反映大棚內(nèi)各個(gè)角落溫濕度的變化，為生產(chǎn)提供準(zhǔn)確的溫濕度信息，便于管理人員實(shí)時(shí)處理溫濕度過(guò)高或過(guò)低的問(wèn)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(shè)計(jì)時(shí)采用電池供電方式。為了能長(zhǎng)時(shí)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(jī)作為主控制器，以超低功耗的nRF24L01芯片進(jìn)行2.4G無(wú)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(gè)溫濕度采集節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)電流為50 μA左右，而平均工作電流為700～800 μA。單片機(jī)通過(guò)數(shù)字式溫濕度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度信息，然后通過(guò)2.4G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送到接收節(jié)點(diǎn)上，同時(shí)接收端將接收到的溫濕度數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)編號(hào)和DS1302提供的實(shí)時(shí)時(shí)間一并存儲(chǔ)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(guò)在接收端的串口將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上顯示和存儲(chǔ)。接收端還可通過(guò)控制按鍵設(shè)置各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度的上下限報(bào)警值，一旦采集節(jié)點(diǎn)的溫濕度超過(guò)了設(shè)定的值，單片機(jī)就會(huì)通過(guò)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，提示工作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理操作。

蔬菜大棚多點(diǎn)無(wú)線溫濕度檢測(cè)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(wú)線傳輸模塊和供電電池4部分。顯示部分由LCD顯示、2.4G無(wú)線數(shù)據(jù)接收、SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、控制按鍵、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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(shè)置、發(fā)送和接收?qǐng)?bào)警等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)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(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，RAM、ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空間內(nèi)，最大尋址地址為62 kB（60 kB Flash，2 kB RAM）。最高運(yùn)算速度為8MIPS[3]。此款單片機(jī)有5種省電工作模式，從LPM3待機(jī)模式（消耗2.6μA@VCC=3）恢復(fù)到正常工作模式（消耗500μA@VCC=3，1MIPS）的喚醒時(shí)間小于6 μs，且允許雙外部工作頻率輸入，其內(nèi)部整合了多款低功耗外圍模塊。MSP430系列單片機(jī)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(dāng)單片機(jī)在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，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(diǎn)是價(jià)格便宜、精度高、測(cè)量范圍寬、誤差偏移小、使用壽命長(zhǎng)、工作電壓寬、功耗低等[5]。各方面性能都符合本設(shè)計(jì)的要求。電路如圖2所示。

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

2.3 存儲(chǔ)電路

為便于觀察和指導(dǎo)大棚內(nèi)植物的生長(zhǎng)，需要把每天每個(gè)采集點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度值、濕度值和采集時(shí)間存儲(chǔ)起來(lái)。由于整個(gè)作物生長(zhǎng)期內(nèi)都要檢測(cè)，所以系統(tǒng)需要采集的數(shù)據(jù)較多，一般的存儲(chǔ)設(shè)備不能滿足要求。由于SD卡具備體積小、可擦寫(xiě)、存儲(chǔ)容量大、非易失性以及價(jià)格低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品中[6]。因此，系統(tǒng)選擇了4G的SD卡作為存儲(chǔ)設(shè)備（圖3），滿足了系統(tǒng)需要。

2.4 無(wú)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(wú)線收發(fā)器芯片[7]。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“ShockBurst”模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置，通信速度可達(dá)10 MB/s，大大提高了無(wú)線通信抗干擾能力并且具有多個(gè)無(wú)線信道，同時(shí)nRF24L01本身具備休眠模式，因此功耗也符合本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)添加的。

2.5 與上位機(jī)的通信模塊

如何把PC機(jī)或上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)中，這就需要串行通信接口以及接口器件，同時(shí)必須有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。

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

RS-232采用非平衡連接，信號(hào)電壓加到一條導(dǎo)線上，所有的信號(hào)電壓都使用一個(gè)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(gè)腳線的信號(hào)和電平規(guī)定采用負(fù)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(guò)渡區(qū)。由于計(jì)算機(jī)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(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。例如采用MC1488、SN7515O芯片可完成電平TTL到EIA的轉(zhuǎn)換；采用MC1489、SN75154芯片可實(shí)現(xiàn)電平EIA到TLL的轉(zhuǎn)換。如果采用MAX232接口芯片可實(shí)現(xiàn)電平TLL和EIA的雙向電平轉(zhuǎn)換。

RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2 500 pF的電容負(fù)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(shí)，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(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問(wèn)題，因此一般用于20 m以內(nèi)的通信。

考慮到在通信時(shí)不存在距離過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，該研究采用RS232標(biāo)準(zhǔn)，利用MAX232芯片的雙向轉(zhuǎn)換完成TTL-EIA和EIA-TTL的電平轉(zhuǎn)換。其硬件電路連接如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 與上位機(jī)的通信軟件部分

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

上位機(jī)和下位機(jī)的約定如下，幀格式總字節(jié)數(shù)+幀命令+幀內(nèi)容+校驗(yàn)和；總字節(jié)數(shù)：該幀包含的字節(jié)總數(shù)用1個(gè)字節(jié)表示；幀命令：該幀的功能用1個(gè)字節(jié)表示；幀內(nèi)容：研究中上傳溫濕度數(shù)據(jù)用4個(gè)字節(jié)表示；校驗(yàn)和：將總字節(jié)數(shù)、幀命令和幀內(nèi)容所有字節(jié)計(jì)算出的校驗(yàn)和用1個(gè)字節(jié)表示。其中幀內(nèi)容長(zhǎng)度只代表幀中數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。實(shí)際上整個(gè)一幀中除了“幀內(nèi)容”外，還包括“總字節(jié)數(shù)”、“幀命令”、“校驗(yàn)和”3個(gè)字節(jié)。波特率=9 600baud；字節(jié)格式=1啟始位、8數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)位、1停止位；約定傳輸數(shù)據(jù)命令特征碼為254，即十六進(jìn)制數(shù)為0xfe。

由上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送字節(jié)數(shù)和命令，下位機(jī)根據(jù)命令將位置數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)，下位機(jī)在傳輸完數(shù)據(jù)后，繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，等待下一次中斷控制信號(hào)到來(lái)。上位機(jī)可以采用Delphy或VB6.0編制，實(shí)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(shè)計(jì)

nRF24L01的各種命令字都只有一個(gè)字節(jié)，分為讀寄存器、寫(xiě)寄存器、讀數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、寫(xiě)發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等[10]。在輸入任意命令字的同時(shí)，MISO輸出STATUS寄存器的內(nèi)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(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，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(shí)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(xiě)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(gè)操作過(guò)程如圖6所示。

3.3 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

軟件流程圖如圖7所示。軟件設(shè)計(jì)中，上電初始化完成對(duì)CPU、液晶顯示器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等的初始化；CPU控制傳感器采集數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送，接收到的數(shù)據(jù)在LCD上顯示，并存儲(chǔ)在SD卡中，根據(jù)不同作物不同生長(zhǎng)時(shí)期判斷溫濕度。如果超出設(shè)定范圍，就通過(guò)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，否則檢測(cè)是否到達(dá)定時(shí)發(fā)送時(shí)間。如果到達(dá)，發(fā)送當(dāng)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(nèi)溫室內(nèi)環(huán)境的變化規(guī)律。

4 小結(jié)

該設(shè)計(jì)方案通過(guò)在黑龍江農(nóng)墾總局建三江分局的859農(nóng)場(chǎng)示范園區(qū)的溫室蔬菜大棚現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、測(cè)量精度高、操作方便簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)等，為進(jìn)一步提高溫室蔬菜大棚的全自動(dòng)、智能化作業(yè)提供可靠保證。

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