MSP430F149的无线温湿度环境实时监测系统＊

刘承桥，张耀南，冯克庭，李柏年，杨永如

（1.兰州大学 信息科学与工程学院，兰州730000；2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所；3.甘肃省资源环境科学数据工程技术研究中心）

引 言

随着物联网技术的快速发展和各种大数据中心的建立，各种数据监测系统特别是无线数据监测系统应运而生，其中，无线温湿度监测系统就是一种非常具有代表性的无线监测系统。虽然，无线温湿度监测系统结构和功能都很简单，但是，其在工农业生产和科研工作中，具有很高的使用价值。目前，无线温湿度监测系统主要由中心控制单元、温湿度采集单元和无线数据传输单元构成。其中，中心控制单元大都采用8位单片机作为主控制器，如51单片机、AVR单片机、PIC单片机等；温湿度采集单元一般采用湿敏电阻和热敏电阻，或者采用集成温湿度传感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等；无线数据传输单元多采用ZigBee无线传感网络。

这种系统成本较低、性能稳定，能够满足人们的基本需求。但是随着社会和科技的快速发展，这种系统在数据处理速度、数据精确度、数据监测的实时性和系统功耗方面已经逐渐不能满足人们的需求。如今，随着大规模集成电路的快速发展，各种处理速度更快、功耗更低的单片机（如MSP430F149）在微控制系统中得到广泛使用，测量范围更宽、精度更高、功耗更低的集成温湿度传感器（如SHT21）越来越受到人们的青睐。此外，随着移动通信技术的不断成熟，特别是GPRS的问世，使数据的实时远程传输变得简单可靠[1，2]。本文阐述了基于低功耗单片机MSP430F149、高精度低功耗温湿度传感器SHT21和GPRS的无线温湿度实时监测系统的结构、工作原理和使用情况。

1 系统结构

系统主要由主控制器、时钟单元、报警单元、温湿度测量单元和数据传输单元5部分构成。其系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 主控制器

系统选用低功耗单片机MSP430F149作为主控制器。MSP430F149单片机是TI公司推出的一款16位微处理器，支持1.8～3.6 V电压供电，全速运行时的电流仅为280μA，休眠状态微处理器的电流只有0.1μA；支持5种省电模式，同时具有很快的唤醒速度，唤醒时间仅为6μs；片内集成12位A/D转换器、2种定时器、2个UART通信端口以及比较器。MSP430F149单片机采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令均为模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，这些内核指令均为单周期指令，功能强、运行速度快；采用Flash型程序存储器和JTAG技术，这就使得开发工具变得简便且价格相对低廉，还能够实现在线编程。MSP430F149单片机的运行环境温度范围为-40～＋85℃[3-4]。

与传统8位微处理器相比，MSP430F149单片机功耗低得多，处理能力强大得多，开发环境更加方便高效。此外，MSP430F149单片机还具有高性能模拟技术和更为丰富的片上外围模块，工作稳定。用MSP430F149单片机作为主控制器，对整个系统的功耗和处理速度都有很大的改善，而且大大缩短了开发周期。

1.2 时钟单元

时钟单元的主要功能是计时，为整个系统工作提供一个系统时间，系统采用时钟/日历芯片PCF8563计时。PCF8563是Philips公司推出的一款工业级实时时钟/日历芯片，含I2C总线接口，功耗极低，具有报警功能、定时功能、时钟输出功能和中断输出功能，能够完成各种复杂的定时任务。该系统主要用到PCF8563的时钟输出功能。

1.3 温湿度测量单元

温湿度测量单元的功能是测量系统所在环境的温湿度。系统采用数字温湿度传感器SHT21测量温湿度。SHT21是Sensirion公司生产的一款高性能、高精度的数字温湿度传感器，包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。SHT21的供电电压为3.3 V，工作温度范围为-40～＋125℃；温度测量范围为-40～＋125℃，灵敏度为0.01℃，测量精度为±0.3℃（25～＋42℃）[5-6]；湿度灵敏度为0.04%RH，测量精度为±2%RH（20%～80%RH）[5-6]。正常工作情况下，SHT21的功耗只有0.9μW[5]。

SHT21是命令触发型传感器，当主控制器向其发送0x F3时，触发其测量温度，而当主控制器向其发送0x F5时，触发其测量湿度[5]。SHT21输出的是经过标定的数字信号，标准I2C总线格式。主控制器可直接通过I2C总线向SHT21发送命令或者从SHT21读取数据，操作比较方便。

与传统的温湿度传感器相比，SHT21的量程更大、精度更高、功耗更低、操作更简便。使用SHT21测量温湿度，提高了数据的准确度，降低了系统的功耗，简化了系统结构。

1.4 报警单元

报警单元的功能是，当系统所在环境的温湿度超出系统预设置的温湿度的上限值时，发出急促的报警声响，主要元件是蜂鸣器。

1.5 数据传输单元

数据传输单元的功能是当系统所在环境的温湿度超出系统设置的温湿度阈值时，将测得的温湿度的值及测量时间发送到移动终端（如手机），告知使用者被监测的环境温湿度超限，需要及时处理。为了提高数据传输的实时性，系统采用GPRS无线网络传输数据。

GPRS（General Packet Radio Service），通用分组无线服务网络是在原有GSM基础之上加入SGSN、GGSN和PCU而生成的无线网络。GPRS具有以下特点：

①利用GSM网络中未使用的TDMA信道，传输速率可以达到114 kbps[7]。

②采用分组交换技术，每个用户可以同时占用多个无线信道，而每个无线信道又可同时被多个用户共享，实现信道资源更加合理有效的利用[7]。

③具备立即联机的性质，即客户建立一个新的连接，几乎无需任何额外时间。也就是说，用户在利用手机网上冲浪或者进行通话时，也能够接收外界发来的短消息[7]。

④按数据量收费[8]，用户只有在发送或者接收数据时占用网络资源，运营商才会收费，数据量越大，收费越多，反之越少。所以，用户只需关心数据量的多少，而无需关心通信时间的长短。本系统需要传输的数据量较少，费用较低。

在硬件电路方面，绝大部分GPRS模块向外提供RS-232C接口，用户可以在嵌入式操作系统中编写相应的PPP脚本拨号程序，直接驱动GPRS调制解调器连接上GPRS骨干网和Internet，这样，所有采集到的数据就可以通过TCP/IP通道发送到任意一个具有GPRS网络私有IP地址或公网IP地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输[9]。如今，随着电子技术和嵌入式技术的发展，基于GPRS的无线传输模块逐渐得到了广泛使用。这种模块是在原有的GPRS模块的基础上加上外围电路设计而成的，通过串口与控制器通信，其PPP脚本拨号程序已由开发人员写好。因此，使用者只需配置模块的参数、正确操作串口，就能实现数据的无线传输。

2 系统工作原理

系统工作流程图如图2所示。系统采用可调等时间间隔测量模式，极大地增强了系统工作的灵活性。系统启动后，使用者根据实际需要设定系统的测量间隔时间T和温湿度的阈值。每隔时间T，系统会连续测量3次温湿度，以保证测量的准确度。之后，系统会将测量的温湿度的值与预设的温湿度的阈值进行比较。如果所测得的温湿度的值超过设定的阈值，则系统会立即将机房编号、测量时间、温湿度值发送给移动终端，并提示工作人员机房需要维护；否则，系统只在规定的时间将机房编号、测量时间、温湿度值和系统运行状态发送给移动终端。

图2 系统工作流程图

3 系统运行结果

将该系统安装在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所大数据中心1号机房，测量间隔时间设置为10 s，温度阈值为设定为40℃，湿度阈值设定为10%RH。若环境温度未超过40℃且湿度未低于10%RH，则系统将会在上午十点将机房编号、测量时间、温湿度值和系统运行状态（“running！”）发送给移动终端；否则，系统立即将机房编号、测量时间、温湿度值和相关提示信息（“Please check！”）发送给移动终端。系统运行4个月，部分结果如图3和图4所示。

图3 移动终端接收到的数据（1）

图4 移动终端接收到的数据（2）

结 语

该系统选用低功耗器件，采用可调等时间间隔测量模式，并利用GPRS技术，成功实现了对环境温湿度的无线实时监测。系统结构简单、功耗低、测量范围宽、精确度较高、测量模式灵活、实时性较强，能为管理者提供较为精确的实时数据，不仅可用于机房，还可用于农业生产（比如温室大棚）和工业生产（比如生产车间温湿度监控）。系统适用范围较广，具有一定的推广和使用价值。

[1]马洪伟，盛翊智.GPRS技术在无线传输数据中的应用[J].微机发展，2005，3（3）：101.

[2]刘国锦，刘新霞.GPRS无线数据传输技术的应用[J].信息化研究，2010，36（2）：1.

[3]李彬，王朝阳，卜涛，等.基于MSP430F149的最小系统设计[J].应用天地，2009，28（12）：74.

[4]Texas Instruments.MSP430x13x，MSP430x14x，MSP430x14x1 MIXED SIGNALMICROCONTROLLER[EB/OL].[2014-11].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/slas2 72f/slas272f.pdf.

[5]Sensirion.Datasheet SHT21[EB/OL].[2014-11].http：//www.sensirion.com/fileadmin/user ＿upload/customers/sensirion/Dokumente/Humidity/Sensirion ＿ Humidity ＿SHT21＿Datasheet＿V4.pdf.

[6]Sensirion.SHT21数字湿度和温度传感器[J].传感器世界，2010（5）：46.

[7]刘云浩.物联网导论[M].2版.北京：科学出版社，2013：148.

[8]季堃，徐峥.基于GPRS无线网络的环境监控管理系统设计[J].微计算机信息，2006，22（8-2）：242-243.

[9]周云辉，范立志.基于GPRS的无线监控管理系统中远程终端拨号接入技术的实现[J].湖南理工学院学报：自然科学版，2004，17（3）：66-67.