温室环境多点无线传感网络监测系统的设计

2015-03-19龚鼎，艾青，刘刚

湖北理工学院学报 2015年3期

龚鼎，艾青，刘刚

(湖北理工学院电气与电子信息工程学院，湖北黄石435003)

随着计算机技术的不断发展，劳动生产的各个环节对设备智能化的要求越来越高［1］。节能环保的理念也被越来越多的人所认同［2］。在大棚蔬菜的生产过程中，迫切需要对大棚内的温度、湿度及二氧化碳浓度等参数进行实时准确地测量和调节［3］。但是，目前对于蔬菜大棚及其他温室环境的信息采集和网络化控制还处于初期阶段［4］。

为了实现温室环境的多点传感网络监控以及节能的功能，设计了一种以16 位高速、低功耗的 MSP430F149 单片机和低功耗的nRF905 无线收发芯片为核心的多点无线传感网络，实现信息的无线传输，并以上位机为信息处理装置，构成了温室环境参数监控系统。

1 系统总体设计

系统主要由多个节点以及一个终端组成，包括PC 上位机、MSP430F149 单片机最小系统、nRF905 通信模块、各节点和终端的显示模块、节点的信号采集模块，系统功能模块示意图如图1所示。模块间的通信主要分为有线通信和无线通信两大部分，无线通信依靠nRF905 实现节点与终端之间的通信，有线通信主要是终端与PC 上位机之间的通信。

图1 系统功能模块示意图

1.1 系统各部分功能

终端部分主要接受各个节点所发送的信息数据，并将其传送至PC 上位机。上位机与MSP430F149 之间通过MAX3232 进行通信，系统终端结构框图如图2所示。PC 上位机将终端所发送的数据收集在一起，对一定时间范围内的数据进行科学的分析。另外，终端无线装置具有移动便携性，易于转移放置点，可随身携带。当放置点PC 机不便配置或不能工作时，终端显示部分可起到显示作用。

图2 系统终端结构框图

节点部分主要采集温室环境的相关参数，实时地反应当时温室环境情况。节点结构框图如图3所示。节点传感器部分主要用来采集温室环境的相关信息，主要有温度传感器、湿度传感器、气体传感器、光照采集。通过这些传感器将所采集到的数据通过nRF905 发送至终端。终端经数据分析后，根据预设方案，控制加热器、加湿器、送风机等设备采取相应措施。

图3 节点结构框图

1.2 工作过程

节点及其传感器分别安装在不同的环境中，每个节点均隔一定的时间向终端发送一次信息。终端接收到信息之后，向该节点发送一个反馈信号。这是因为，如果终端及其上位机断电之后，节点发送信息将做无用功。为此，当节点在60 s 内未接受到反馈信号，节点将不再向终端发送信息，进入低功耗模式，nRF905 进入ShockBurst RX 接收模式。这样的设置可以更大限度地达到节能目的。

当终端上电之后，终端依次向各个节点发送一个启动信号，使各节点开始采集信号。终端将所采集到的信号经过一些处理之后通过串口发送至上位机。将近期所得到的数据记载在一起，作出相应的分析。节点在采集信号及发送数据之后完全进入低功耗模式。这样可更好地降低其功耗，使其能够用锂电池供电，并能够维持较长时间。

2 系统硬件设计

2.1 低功耗单片机MSP430F149

从成本、体积、功耗等多方面考虑，选择了TI 公司生产的MSP430F149 单片机作为整个系统的控制处理器。MSP430F149 单片机是一款16 位的高速、低功耗单片机，包括6 组IO 口、精密的模拟比较器、硬件乘法器、8 路12 位ADC 转换器、UART 串行通信、SPI 通信以及flash 存储器，并有可选择时钟模块，每个模块均可工作在不同的时钟下，具有较强的低功耗功能［5－7］。MSP430F149 最小系统原理图如图4所示。

图4 MSP430F149 最小系统原理图

2.2 节能通信模块nRF905

节点和终端之间，采用了挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器nRF905。工作电压为1.0 ～3.6 V，功耗极低，以－10 dBm 的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时电流为12.5 mA，内建待机模式与关机模式，易于实现节能［8－10］。与单片机之间采用SPI 通信方式，结合MSP430F149 单片机内部的SPI 通信模式使得系统设计更加简单;ShockBurst TM 工作模式，自动处理数据和循环冗余校验(CRC);支持多点之间的互相通信。nRF905 与MSP430F149 之间的连接方式如图5所示，其中P1.0 ～P1.6、P3.1 ～P3.3 为应连接的单片机对应管脚。

图5 通信模块nRF905 连接图

3 系统软件设计

系统软件选用TI 公司的IAR Embedded Workbench 集成开发环境进行开发。IAR Embedded Workbench 是一个全功能的实时操作系统(RTOS)，并提供高性能的文件系统。支持并口下载及硬件仿真，可以在线调试以及在线修改MSP430F149 单片机内部寄存器的值，可以编译和调试多个C 语言文件、汇编语言文件以及C 语言汇编语言混编。这些特有的功能使得开发周期缩短，且MSP430F149 单片机内部集成SPI 通信模式，与nRF905 的SPI 通信协议一一对应，使系统软件更加简洁。

3.1 初始化配置

初始化配置分为2 个部分:①节点部分包括nRF905 初始化、各种传感器初始化、液晶显示初始化，并向终端发送一个标志位以确定开始正常工作;②终端部分初始化包括nRF905初始化、液晶显示初始化、串口通信初始化。其中nRF905 初始化包括写寄存器的值、设置本机内部地址、设置单次发送的数据。所有nRF905 芯片内部的载波寄存器设置要求相同。

3.2 nRF905 发射子程序

单片机将所需要发送的节点的有效数据和有效地址通过SPI 通信模式写入nRF905;单片机设置nRF905 进入射频发送模式启动传输;nRF905 内部处理，数据包完成(加前导码和CRC 校验码)，数据包发送(高斯频移键控GFSK，曼彻斯特编码);当nRF905 发送数据完毕，进入待机模式，发送程序流程图如图6所示。

图6 发送程序流程图

3.3 nRF905 接收子程序

设置nRF905 进入射频接收模式，同时中断芯片的IO 口;650 μs 后，天线检测电磁波;发现相同的载波时开始接收数据包，当接收到具有有效地址的有效数据包后，自动去掉CRC校验码、前导码、地址位，数据准备就绪，进入外部中断;单片机通过内部SPI 通信读取nRF905 数据寄存器内部的数据，nRF905 进入待机模式，接收程序流程图如图7所示。