基于MSP430的实用粮仓温湿度检测系统

摘要：为了能够对大型粮仓内的温湿度进行监控，采用CC2500射频芯片和SHT11数字温湿度传感器，设计了一种基于MSP430单片机的实用粮仓温湿度检测系统及相关的软硬件结构。该系统利用ZigBee无线通信技术构建了分布式无线传感器网络，通过传感器节点对温湿度数据进行采集和传输，具有组网简单，维护方便，运行费用低等优点，能够实现可靠的无线数据传输。
关键词：温湿度；CC2500；MSP430；ZigBee；SHT11

0 引言
    现代化的粮食仓储系统对粮食的安全性提出了更高的要求。在粮仓管理过程中，湿度和温度是两个重要的控制指标，直接影响粮食的储存质量。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。传统的人工测试方法费时费力，效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大；如果利用有线通信网络线缆将传感器节点组成粮仓温湿度检测网络，需要对粮仓内部进行较大规模的电源、线缆安装工作，不便于后续的检查、维修和改造。因此，温湿度测控的无线化、智能化和信息化管理已成为包括粮仓系统在内的仓库储备技术的发展趋势。
    本文设计采用无线传感器网络技术进行周围环境的检测和控制。无线传感器网络不需要较高的传输带宽，但是需要较低的传输时延，同时对功率消耗十分敏感，因此选择采用无线传输芯片和超低功耗嵌入式处理器，构造分布式的无线传感器监测网络，以实现对粮仓温湿度的网络化实时检测和报警、通风及排湿控制。

1 MPS430芯片
1．1 芯片功能
    MPS430单片机是由TI公司推出的一系列超低功耗微处理器。它的显著特性是具有超低功耗，有5个低功耗模式可供选择，而且唤醒时间很短，只需要6μs，同时还拥有强大的处理能力，丰富的片上外围模块，灵活的时钟系统，稳定的工作状态，方便高效的开发方式等特点。以上特性使之成为电池供电便携设备的首选微处理器。
1．2 芯片结构
    本系统以MSP430F449作为传感器和无线射频芯片的MCU，其最小系统原理图如图1所示。

2 无线通信网络
2．1 ZigBee技术
    ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适合于自动控制和远程控制领域。
    从网络节点逻辑功能上，ZigBee设备可以分为终端设备、路由节点、网络协调器；一个ZigBee网络有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络等。路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能，终端设备则负责与实际的监控对象相连，是实现具体功能的单元。ZigBee技术可采用的拓扑模型有星型、簇树型和网状网络结构。
2．2 系统网络结构
    本系统采用簇树型网络结构，其优点是路由相对比较简单，便于扩展，可简化连接。簇树型网络结构由一个协调器和多个星型结构连接而成，每个星型结构中包括数个数据采集节点(终端设备)和一个或多个路由节点，网络拓扑结构如图2所示。

    系统采用ZigBee协议实现设备之间的无线通信，数据采集节点负责采集现场温湿度数据，通过无线模块将数据发送给路由节点；路由器节点对信息进行综合后把数据传送给协调器；协调器通过RS 232串口与PC机相连，用来收集整个网络中的数据，并能向数据采集节点发送命令和参数设置信息，实现与终端设备的通信。

3 硬件设计
3．1 数据采集节点设计
    每个数据采集节点由数字化温湿度传感器(SHT11)、数据处理单元(MSP430)、无线传输模块(CC2500)及时钟日历模块(PCF8563)组成，如图3所示。

    温湿度传感器SHT11完成区域内的温湿度信息采集和数据转换；数据处理单元负责控制整个传感器节点的操作和数据存储；无线模块负责与其他传感器节点进行通信，时钟日历模块为整个系统提供时间基准，同时为采集数据添加时问标志；能量供应模块部分使用普通电池，为系统各个部分提供能量。
    数字传感器采用瑞士Sensirion公司推出的新型温湿度传感器SHT11。该芯片包括湿度和温度敏感元件、信号放大调理、A／D转换和I2C总线接口。采集温湿度数据时，芯片中的2个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号由微弱信号放大器进行放大后，经过14位的A ／D转换器变成数字信号，然后通过I2C总线接口输出数字信号。温湿度传感器SHT11与单片机的电路连接图如图4所示。

    无线模块中CC2500芯片是Chipcon公司推出的单片无线收发一体化芯片，是业界体积最小，功耗最少，外围元件最少的低成本射频系统级芯片之一，其主要特性有体积小，外围电路简单；低功耗，灵敏度高，速率可调；支持包数据处理；接收数据时，有信息同步字自动检测、地址检测、信息长度分析和CRC校验等功能；具有WOR功能，保证芯片在深度睡眠时周期性地苏醒，探听周围是否有信号。
    时钟日历模块的PCF8563是PHILIPS公司生产的低功耗CMOS实时时钟／日历芯片，通过I2C总线接口与单片机连接，连接图如图5所示，可向单片机发送当前时间信息，并提供时钟基准信号。

    单片机MSP430F449通过SPI总线与CC2500芯片的接口连接，发送端与接受端硬件连接几乎一样，具有通用性，可实现半双工通信。
    数据采集节点由单片机MSP430F449控制，定时向温湿度传感器SHT11发送读温度和湿度指令，SHT11检测温湿度信息，并输出数字信号，MSP430F449在接收到温湿度的数值后，将这些数据传输至CC2500，由CC2500负责对信号进行打包处理，并发送给路由节点。
    为了降低系统功耗，数据采集节点通常在闲置时进入休眠模式，其外设模块也进入休眠状态，或者电源管理部分不对这些外设模块供电。
3．2 数据收发节点设计
    路由节点和协调器都属于数据收发节点，负责数据的收发和处理，主要由数据处理模块(MPS430)、无线模块(CC2500)和一些外围器件构成，路由节点采用电池供电，协调器采用USB供电或者是交流电供电，其结构图如图6所示。

    协调器通过串口RS 232与PC机相连，其功能相当于一个接入点，一方面将主机向数据采集端发送的控制信号以无线的方式发射出去，另一方面接收采集数据并上传给主机。

4 软件设计
    系统软件主要包括数据采集程序和数据收发程序两部分，它们都包括初始化程序、发射程序和接收程序。
    初始化程序主要是对单片机、射频芯片、SPI接口等进行设置；发射程序将建立的数据包通过单片机SPI接口送至无线模块输出；接收程序完成数据的接收并进行处理。数据采集子程序主要负责根据无线命令实时采集粮仓的温湿度数据信息，软件流程如图7所示。

    数据收发程序主要负责向数据采集节点发送信息，并接收返回数据，综合后向上层节点传送，软件流程如图8所示。

5 结语
    本文以低成本、低功耗为目标，采用ZigBee技术和CC2500芯片，设计基于MPS430单片机的粮仓温湿度检测系统，网络结构简单，系统成本低，且易于扩展，整个系统能够满足长时间粮仓温湿度监测的需求，具有较高的可靠性和稳定性，在实际中有很好的应用价值。