基于MSP430单片机的小气候采集系统

摘要：现有的农田小气候要素主要靠人工获取，耗时费力；现有专业设备过于昂贵，不利于组建高密度的观测网。本系统是基于MSP430的小气候采集系统，精度高，超低功耗，可以在设备自身供电的条件下长时间在野外测量数据。且由于设备成本较低，可以利用多个设备组成传感器网络，并通过终端设备远程设定采样频率，从而对某一区域的土壤温湿度，空气温湿度，光照强度等信息做详细的记录。
关键词：MSP430；传感器；农业信息采集；无线传输

1 系统总体设计
    基本电路由MSP430F149单片机驱动外围的传感器设备，土壤温湿度传感器(5TM)、空气温湿度传感器(SHT11)、光强度传感器(S1087)分别负责采集土壤温湿度、空气温湿度和光强度，可根据预设时间对数据进行存储，并可通过存储集中传输的模式由射频传输模块进行数据的远距离的传输。由于所采用的传感器响应时间短，可作为便携式手持设备使用，从而大大提高测量速度，提高测量效率。

2 硬件部分
    温湿度传感器SHT11：SHT11传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专业的工业CMOS过程微加工技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越长期的稳定性。测湿精度±3．0[％RH]，测温精度±0．4[℃]在25℃。传感器包含一个电容式聚合体测湿原件和一个隙式测温原件并与一个14位的A／D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。此产品具有超快响应，抗干扰能力强，性价比高等优点，每个SHT11传感器都在极为精确的湿度校验试中进行校准。数字信号的整个传输过程由CRC-8校验，任何错误数据将被检测到并清除。SCK接P1．4口，为串行时钟输入引脚，用于微MCU与SHT11之间的通讯同步。SDL接P1．5口，用于数据的读取，在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
    5TM土壤温湿度传感器：利用水分是决定土壤介电常数的主要因素这一特点，通过测量土壤的介电常数并通过公式来精确得出土壤的真实湿度，另外为了更加准确地反应所测对象的湿度，5TM对国际上惯用的经典算法进行了改进，提供了面向不同测量对象的算法供用户调用，从而大幅地提高了所测量数据的准确性。静态工作电流0．3mA，测量电流10mA，测量时间150ms，保证了设备快速测量和低功耗的特性。工作频率70MHz，测量时OUT接P5．1口，向单片机传送数据，VCC和GND分别接电源端和地端。测量湿度托普方程精度为±0．03m／m(±3％VWC)，采用修正后的方程精度可达(±1％～2％VWC)。温度测量在-40℃～50℃时分辨率0．1℃，精度可达±1℃。
   
    硅光电池：硅光电池S1133是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，由光生伏特效应产生回路电流。由于硅光电池的PN结面积比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。利用光伏效应可以将光强度的变化量通过电流变化的线性关系反映出来，再通过放大电路将信号进行放大，依据他们之间的线性关系测得光强度。
    K9F1G08U1A外部存储芯片：由于单片机的存储资源有限，为了能有效地存储大量的数据，此处使用了Samsung公司推出的K9F1G08U1A外部存储器件来扩展设备的存储容量。NAND FLASH芯片具有ROM存储器的特点，在断电的情况下仍可以长时间保存数据。电源电压2．7V～3．6V，与MSP430F149一致，低功耗，容量可达128M×8Bit，K9F1G080M芯片提供了一根状态指示信号线R／B接P4．5，该信号为低电平时，表示FLASH可能正处于编程、擦除或读操作状态；为高电平时，则表示为准备好状态。NANDFLASH存储器将数据线与地址线复用为8条线，另外还提供了命令控制信号线。因此，NAND FLASH存储器不会因为存储容量的增加而增加引脚数目。本系统中，K9F1G08U0M的数据输入输出口与单片机的P 2端口相连。片选信号与单片机的P 2．4相连，CLE(命令锁存控制端)、ALE(地址锁存控制端)、RE(读操作控制端)、WE(写操作控制端)分别通
过控制单片机P4．1、P4．2、P4．3、P4．4引脚的电平，决定对FLASH进行控制字操作、地址操作、写操作还是读操作。在此不须使用写保护功能，所以接高电平。
    无线传输模块：为了便于各传感器间相互通信，系统外接了nRF905射频模块，NewMsg-RF905模块使用Nordic公司的nRF905芯片开发而成，该模块通信距离可达1km，便于组建大范围的无线网络。工作频率433／868／915M，最大输出功率20dbm，传输速率0．128～256kbps。节电模式时工作电流为2．5μA。

    MSP430F149单片机简介：MSP430F149单片机是美国德州仪器公司推出的16位超低功耗单片机，端口P1-P6都可以使用位寻址方式，P1和P2口所有8个位都具有外部中断处理、输入／输出、外部模块功能。这些功能都可以通过它们各自的7个控制寄存器的设置来实现，P3、P4、P5和P6没有中断能力，丰富的端口使其可以连接多个外围设备，60kB的FLASH和2kB的RAM使程序的编写具有更高的灵活性，等待方式工作电流为0．7μA，RAM保持的节电方式工作电流为0．1μA，4kHz模式时工作电压为2．2V，电流为3μA，1MHz模式时工作电压为2．2V，电流为160μA。特有的低功耗和唤醒模式使单片机的能耗更低。内部采用I2C通信模式减少电路间的连线，减小了电路板的尺寸，另外内部集成了看门狗、时钟模块、定时器、液晶驱动模块、硬件乘法器、模数／数模转换模块，极大地丰富了单片机的功能，所以MSP430单片机被广泛用于工业控制、智能化的仪器仪表计算机外部设备等高端领域。

3 通信部分
3．1 系统自检测
    由于本系统需要长期在野外独立工作，系统内加入了自检测程序。开机后系统进行自检测，如检测不通过设备会自动复位，通过后进入初始化。判断是否有按键输入，如没有则根据所设定的时间进行信息采集和存储，结束后系统再次进行自检测，通过后系统进入休眠模式。按键输入可唤醒系统采集实时信息并显示，结束后系统再次进行自检测。通过多次的系统自检测保证系统具有良好的稳定性。
3．2 数据传输
3．2．1 发送流程分如下几步
    (1)当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和需要发送的数据传送给RF950，SPI接口的速率在通信协议和期间配置时确定；
    (2)控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发RF905的ShockburstTM发送模式；
    (3)RF905的ShockburstTM发送：
    ●射频寄存器自动开启；
    ●数据打包(加字头和CRC效验码)；
    ●发送数据包；
    ●当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；
    (4)AUT0_RETRAN被置高，RF905不断重发，直到TRX_CE被置低；
    (5)当TRX_CE被置低，RF905发送过程完成，自动进入空闲模式。
    数据发送流程图如图3。

3．2．2 数据接收流程
    (1)当TRX_CE为高、TX_EN为底时，RF905进入ShockburstTM接收模式；
    (2)650us后，RF905不断监测，等待接收数据；
    (3)当RF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；
    (4)当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高；
    (5)当一个正确的数据包接收完毕，RF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高；
    (6)微控制器把TRX_CE置低，RF905进入空闲模式；
    (7)微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移动到微控制器内；
    (8)当所有的数据接收完毕，RF905把DR引脚和AM引脚置低；
    (9)RF905此时可以进入ShockburstTM接收模式、ShoekburstTM发送模式或关机模式。数据接收流程图如图4。

4 结论
    基于单片机和传感器网络技术，开发了用于农业环境信息采集与传输装置。经实验检测，本系统能准确测量作物的生长环境，并对农田小气候进行模拟，实现了可靠的生长环境信息采集系统，对水稻等农作物的生长环境实现系统的监控，具有重要的实践意义。作为手持设备使用时由于传感器具有优良的特性，保证了测量的精度，极大地提高了测量效率，有很强的实用价值。