温室超低功耗无线传感器智控系统设计——基于MSP430和ZigBee

魏 纯，刘红艳

(1.武汉东湖学院 电子信息学院，武汉 430212;2.济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 459000)



温室超低功耗无线传感器智控系统设计
——基于MSP430和ZigBee

魏 纯1，刘红艳2

(1.武汉东湖学院 电子信息学院，武汉 430212;2.济源职业技术学院 机电工程系，河南 济源 459000)

为了实现对大棚温室环境温度的有效监控，采用ZigBee技术，通过SN8P2722八位单片机自主采集和控制大棚环境温度，使温度的调节更加方便快捷，并经由无线射频发射器与MSP430F149超低功耗嵌入式系统通信，通过开发底层软件和上位机软件，实现对大棚温度自动调节的智能控制系统的设计。实验结果表明：本超低功耗智能控制系统运行良好，可以自动地对蔬菜大棚环境温度进行检测与调节。此系统人机界面操作方便，且采集系统携带方便、经济适用和省电，具有重要的现实意义。

MSP430；超低功耗；ZigBee无线传感器；CC2530；上位机；温室

0 引言

蔬菜的生长极容易受到周围环境的影响，而在这些条件中，温度对蔬菜生长的影响最为突出。随着农业科学技术的提高，我国种植蔬菜大部分采用大棚温室技术，通过对大棚温室温度的检测及控制，能创造出最适宜蔬菜生产所需要的环境温度，从而可在很大程度上提高大棚作物的质量和产量。为采集和监控温室温度，利用MSP430超低功耗嵌入式系统和CC2530RF收发器建立网络节点，并完成与上位机的实时通信，大大降低人工成本，在提高生产率的同时也提高了蔬菜的口感与质量。大棚温室内部结构和MSP430嵌入式系统如图1所示。

1 智能控制硬件部分整体设计

智能控制硬件部分主要由MSP430嵌入式系统和ZigBee无线接收控制系统两部分组成。

MSP430嵌入式系统框架图如图2所示。系统由无线接收模块、MSP430核心系统、按键部分、LCD显示部分、电源管理系统及JTAG接口模块共同构成。无线接收模块接收到BigZee系统发送回来的数据送给MSP430，通过处理由LCD显示出来，可以通过显示出来的信息判断大棚温度是否正常。系统可以实现大棚温度的检测、完成远程数据的信息传输，且具有网络构建简单等特点。

图1 蔬菜大棚和嵌入式系统示意图

ZigBee无线接收控制系统框架图如图3所示。ZigBee无线接收控制系统主要由温度传感器、信号放大芯片、CC2530芯片、发送路由器及控制部分构成。PT100传感器采集信号后，经过信号放大IC放大，然后经由CC2530传输给微处理器处理，微处理器一路将数据传输给MSP430嵌入式系统，同时也完成对环境温度的调控。

图2 MSP430框架示意图

图3 ZigBee系统框架示意图

2 系统软件编程与上位机设计

2.1 SN8P2732单片机程序设计

SN8P2732单片机软件主要包括温度传感器、通风驱动、加热驱动和键盘与显示电路4个部分。系统可以实现实时显示温度，并能自动的控制大棚温室的环境温度。SN8P2732单片机软件流程如图4所示。

SN8P2732单片机在开始时会进行一系列的初始化，然后通过软件检测Flash的标志位，判断Flash是否已经被写，接着单片机会开一些中断、定时器；LCD实时显示温度并进入省电模式，节省电量；MCU会通过定时看门狗或外部中断唤醒，然后开始采集温度。在采集温度的过程中，软件会自动判断采集到的数据是否合理，即采集过程是否出现错误，若采集产生错误，则复位传感器重新采集数据。最后，软件根据处理后的数据判断下一步操作，或开启通风装置，或开启加热设备，自动调节大棚温室温度。

图4 SN8P2722单片机软件流程示意图

2.2 MSP430嵌入式系统

MSP430嵌入式系统软件设计采用集成化设计，采用C语言进行编程，软件简洁明了，方便灵活，模块化程度高，调用起来非常方便。软件主要包括LCD液晶显示、键盘交互、通信交换等几个模块。

LCD显示部分采用1602液晶模块，1602字符型显示器器是一种特意用来显示字母、数字和符号的液晶模块，用来显示大棚环境温度和温度设置界面。其主要程序如下：

#include "lcd_config.h"

void lcd_display(int i)

{

if(i==0)

{

lcd_init();

lcd_datewrite(0x4c);

lcd_datewrite(0x43);

lcd_datewrite(0x44);

}

if(i==1)

{

lcd_datewrite(0xa0);

lcd_datewrite(0x64);

lcd_datewrite(0x69);

lcd_datewrite(0x73);

lcd_datewrite(0x70);

lcd_datewrite(0x6c);

lcd_datewrite(0x61);

lcd_datewrite(0x79);

}

}

按键交互包括设置温度的UP、DOWN，以及系统复位键，可以用来完成温度设定和系统复位，主要程序如下：

int keyvalue=0;

int i;

int table[]={0X3f,0X06,0X5b,0X4f,0X66,0X6d,0X7d,0X07};

void main( void )

{

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

P3DIR|=0X0b;

P3SEL=0X0a;

P3OUT=0X00;

P3OUT=0XFF;

while(1)

{

for(i=0;i<8;i++)

{

if((P4IN&0x01<

{ keyvalue=table[i];

U0TXBUF=keyvalue;

}

}

}}

MSP430F149与路由器之间的通信采用RS232协议，主要完成信息的相互传输，其主要程序如下：

#include "resource.h"

class CMy232App : public CWinApp

{

public:

CMy232App();

public:

virtual BOOL InitInstance();

AFX_VIRTUAL

DECLARE_MESSAGE_MAP()

}

2.3 上位机软件的设计

上位机软件采用 Delphi7编写，上位机与下位机的通讯通过串口通讯来完成，因此上位机软件的编写在整个系统中占有很重要的作用。Delphi7是Borland公司推出的全新可视化编程环境，为人们提供了一种方便、快捷的Windows应用程序开发工具， 其实现串口通讯的办法是使用MSCOMM控件。MSCOMM控件具有丰富的与串口通信密切相关的属性，提供了对串口进行的多种操作，进而使串行通信变得十分简便。本系统中上位机的信息处理及监控软件运行在Windows操纵系统下，并利用MSCOMM控件开发设计了上位机与MSP430的串行通讯程序，完成对温度的实时监控。大棚温室环境无线监控系统人机主界面如图5所示。

图5 大棚温室环境无线监控系统主界面

该软件可以完成对各个无线传感器的温度进行采集处理；并通过主界面实时分类显示所测数据；系统具有自动保存上传数据的功能，可以查看历史数据，且可以导出Excel数据文件。

3 蔬菜大棚环境温度调节与实验结果对比

大棚温室内的温度作为测量的对象，采用的调控方法主要是利用排风扇、窗帘设备和加热装置。通过PT100检测数据并送由松翰SN8P2732八位微处理处理，单片机内部与当时时间段最有利于蔬菜生长点的温度作比较，以达到调节温室温度功能。当温室内温度低于最佳温度时，SN8P2732单片机发送指令打开加热设备；反之，则打开通风装置。在加热或通风过程中，温度传感器不断地采集数据与最佳温度作对比，直到调整到最佳温度±0.5℃。

根据不同蔬菜作物的生长期，本系统可以通过嵌入式部分设置大棚温室内适宜蔬菜生长的最佳温度曲线，然后通过ZigBee模块进行控制。例如，西红柿生长期包括发芽期、幼苗期、开花着果期和结果期，每个时期需要的生长环境温度也都不相同，幼苗期白天适宜温度为23～28℃，晚上适宜温度为10～12℃。本实验以西红柿幼苗期为参考，要求温室内实际温度与最佳适宜温度相差±0.5℃以内，用来测试智能控制系统工作是否达标。表1中蔬菜生长所需的最佳环境温度是指西红柿幼苗期一天各个时间段生长所需的温度，由上位机提前设定好，然后信息传输给处理器MSP430F149，最后信息传送至ZigBee模块进行自动调节控制；而表1中实际测量温度是在西红柿幼苗期采集到的一天的温度。

表1 蔬菜生长所需最佳环境温度与实际测试温度

Table 1 The optimum environment temperature and actual test temperature for the growth of vegetables

数据分析软件ORIGIN是一款功能强大的专业函数制图软件，简便易学，功能开放，可以用来进行高级数据分析。利用ORIGIN8.5对采集到的数据进行对比分析，可以清晰地看到数据差值曲线变化，测试对比结果如图6所示。

图6 温室和西红柿最佳适宜温度的对比图

通过对比大棚环境测试温度和西红柿最佳适宜温度，不难发现两者差值在±0.5℃以内，而且有很好的稳定性，达到了设计的要求。

4 结论

通过设计和测试，本系统很好地实现了对大棚温室环境温度的有效监控，能准确地采集到大棚环境温度，并根据蔬菜生长最适宜温度进行调节。通过Delphi7编写上位机对温室环境温度进行实时监控，且嵌入式系统电量损耗降低至50 mW，实现了超低功耗。本文中提出的超低功耗无线传感器智控系统的设计方案具有性能稳定、实用、效率高和性价比极高等特点；且此系统扩展性强，可以增加大棚湿度和二氧化碳含量的监控，可为蔬菜创造更加适宜的生长环境，具有更大的实用性。

[1] 陈一飞.智能农业:十二五期间我国农业科技进步前瞻[J].中国农业科技导报,2010,12(6):1-4.

[2] 赵凯,杨淑连.温室大棚环境参数无线监控系统[J]. 山东理工大学学报：自然科学版, 2010(2):93-96.

[3] 洪利,章扬,李世宝.MSP430单片机原理与应用实践详解[M].北京:北京航天航空大学出版社,2010.

[4] 沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京:北京航天航空大学出版社,2008.

[5] 周金治,徐霞,赵海霞.基于MSP430的嵌入式系统开发与应用[M].北京:化学工业出版社,2013.

[6] 周华,宋公明,刘冲.基于高速单片机的控制液晶显示屏的设计[J].机械工程与自动化,2013(2):81-85.

[7] 范海健.TMP275.在手持式实时测温仪中的应用[J].现代电子技术,2013(3):125-127.

[8] 平毅,郭磊.低功耗自动灌溉控制器的设计[J].现代电子技术,2014(10):104-106.

[9] 焦冰,叶松,温雅婷.MSP低功耗原理及其在海温测量中的应用[J].现代电子技术,2011(10):189-192.

[10] 张巧芬.变电站设备温度无线监测系统设计与实现[D].上海：上海海事大学,2011.

[11] 丁鹏飞.存储式高温压力计的设计[J].物联网技术,2014(2):63-65.

[12] 陈迪荣.可用于智能养老院系统终端的电路设计[D]. 杭州：杭州电子科技大学,2012.

[13] 姜毅力,陈莉华,刘关关,等.强噪声背景下的低频微弱信号检测装置[J].物联网技术,2013(8):51-51.

[14] 王江峰.基于ZigBee无线传感网络的实现[D].济南：济南大学,2010.

[15] 李强,田国栋.基于DS18B20的室内智能温度控制系统设计[J].电子设计工程,2012(3):34-36.

[16] 王妮.基于单片机的数字式压力测量仪的研究[D]. 西安：西安科技大学,2013.

[17] 翁志勇.海洋水质综合参数检测系统的研制[D].武汉：华中科技大学,2006.

[18] 张蒙.安防报警系统[D].呼和浩特：内蒙古科技大学,2009.

[19] 田小强.基于MSP430的动态称重系统[J].工程技术,2012(3):34-34.

[20] 杨国宁.基于模糊集与统计理论的多传感器数据融合算法研究[D].太原：太原理工大学,2013.

[21] 杨国宁.被动式日光温室热湿环境模拟与实验研究[D].济南：山东建筑大学, 2010.

[22] 凡启飞.高性能嵌入式处理器低功耗技术研究[D]. 合肥：中国科学技术大学,2009.

[23] 孙海亮,崔天时.单片机在温室大棚中的应用研究[J].世界华商经济年鉴·科技财经,2013(1):15-16.

[24] 凡启飞.上海市郊蔬菜生产演变及驱动机制研究[D]. 上海：华东师范大学,2011.

[25] 耿蕊,赵立杰.嵌入式运动控制器的开发及应用[J]. 机电新产品导报,2004(11):78-79.

[26] 王计元,陆静.嵌入式Internet技术研究与应用[J].上海电力学院学报,2009(2):169-172.

Design for Intelligent Control System for Ultra Low Power Wireless Sensor Based on MSP430 and ZigBee

Wei Chun1, Liu Hongyan2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430211, China; 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China)

In order to realize the effective monitoring of greenhouse environment temperature. In this paper, the ZigBee technology, SN8P2722 8 bit single chip computer through the autonomous acquisition and control greenhouse environment temperature and the temperature adjustment more convenient and quick, and via wireless RF transmitters and MSP430 ultra low power embedded system communication, through the development of the underlying software and PC software, let people through the PC real-time understanding of the measured temperature, the design and implementation of intelligent control system of greenhouse temperature automatic adjustment of. Experimental results show that the intelligent control system of the ultra-low power consumption can run well and can automatically detect and adjust the temperature of the greenhouse environment.This system is convenient for man-machine interface, and it has important significance for improving the portability, economic applicability and saving energy of the acquisition system.

MSP430； ultra low power consumption； ZigBee wireless sensor； CC2530； PC； greenhouse

2015-11-27

江西省科技计划项目(20123BBG70217)

魏 纯(1983-)，女，武汉人,讲师，硕士,(E-mail)fiberhome@126.com。

S625.5+1;TP274

A

1003-188X(2017)01-0207-05