基于MSP430的热带花卉无线温湿度传感器节点设计

黄建清，刘德兵，袁 琦，高家宝

（1.海南大学 应用科技学院，海南 儋州 571737；2.海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228）

基于MSP430的热带花卉无线温湿度传感器节点设计

黄建清1，刘德兵1，袁 琦2，高家宝1

（1.海南大学 应用科技学院，海南 儋州 571737；2.海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228）

为了实现热带花卉环境参数实时监测，文中设计了一种以MSP430F149为核心的无线温湿度传感器节点。节点通过传感器AM2306采集温湿度数据、nRF905射频芯片无线发送数据、MAX3232芯片将数据发送至PC机、LT1129-3.3和LT1129-5组成的电路提供3.3 V和5 V电源，节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境，采用单片机C语言开发。节点具有体积小、功耗低、测量准确的特点，测试表明，节点平均工作电流约为0.78 mA，温度和湿度的最大相对误差分别为5.78%和1.37%，可以满足热带花卉数据采集的应用要求。

热带花卉；MSP430F149；温湿度；传感器节点

热带花卉是一种很好的观赏植物，具有枝叶宽大，花朵绚丽多彩，深受人们喜爱。但热带花卉对栽培环境温度、湿度要求较高，温度过低会使花卉生长缓慢、光合作用减弱、生理功能失调，甚至枯萎；温度过高则使花卉呼吸作用加快，养分消耗加大，植株生长缓慢，严重时造成植株死亡[1]。如红掌性喜温暖湿润气候，忌干风烈日，不耐低温和高温，生育适温18～30℃，13℃以下容易出现寒害，高于32℃则植株生长不良、停止生长甚至死亡[2-3]。空气湿度也是影响花卉生长发育的重要因素，空气湿度过大，易使枝叶徒长，花瓣霉烂、落花，并易引起病虫害蔓延；空气湿度过低又使花期缩短，花色变淡[4]。如蝴蝶兰对空气湿度要求达到60%以上，当空气湿度过低，叶片会失去光泽，逐渐萎蔫下垂，甚至死亡[5]。为此，实现实时、快速、准确、连续地监测花卉生长环境温湿度对于指导花卉生产与管理、提高花卉生产效率具有重要意义。

传统的温湿度监测方法是利用温度表、湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工定期巡回查看来测量和记录数据，这种人工测试方法费时费力、效率低、测试数据误差大，并且不能实现温湿度动态变化的实时监测[6-7]。而采用串行总线、现场总线的温室自动监测方法却需要铺设大量的电缆线，布线困难、施工难度大，且线路易受破坏和腐蚀、维护成本高、监测范围有限[8-9]。为此，文中设计了一种无线传感器节点，通过传感器AM2306采集温湿度数据，由MSP430F149单片机加工处理数据，并通过nRF905将采集数据无线发送至监测主机，实现热带花卉生长环境参数实时监测。

1 无线传感器节点硬件设计

传感器节点硬件包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块、串口通信和电源模块，硬件结构如图1所示。

图1 传感器节点硬件结构

1.1 处理器模块

无线传感器节点需要完成数据采集、数据处理、数据接收和数据发送等多项任务，在监测过程中会消耗较多的能量，而节点采用能量有限的电池供电，因此，在处理器选择上应选择低功耗单片机，以延长节点的使用周期。文中选用TI公司的MSP430F149单片机，该单片机突出的优点是低电源电压和超低功耗，支持1.8～3.6 V电压供电，全速运行时的电流仅为280 μA，休眠状态微处理器的电流只有0.1 μA，提供5种低功耗模式，特别适合用于低功耗需求的场合[10-11]。

1.2 传感器模块

考虑花卉温室数据精度和变化范围要求，温湿度测量采用广州乐享电子有限公司的AM2306传感器。AM2306是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。AM2306温度的测量精度±1℃，湿度的测量精度为±2%RH。AM2306的单总线引脚DATA连接5.1 kΩ上拉电阻，同时与单片机P2.0端口连接，连接电路如图2所示。

图2 AM2306与MSP430F149接口电路

1.3 无线通信模块

无线通信模块是采集节点的重要组成部分，它是节点中各模块能量消耗最主要的部分[12]。文中采用低功耗、发射功率可调的射频芯片 nRF905，nRF905工作电压为1.9～3.6 V，以-10 dBm输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12.5 mA，关机模式时的电流为2.5 μA，并且内建空闲模式与关机模式，易于实现节能[13]。

nRF905有3组接口：SPI接口、状态输出口和模式控制接口。SPI接口包括CSN、SCK、MISO、MOSI 4个引脚，分别与单片机的P1.0、P1.2、P1.6、P1.4引脚连接，用于传输数据。状态输出口包括CD、AM、DR 3个引脚，分别与单片机的P2.4、P2.2、P2.0引脚连接，用于监测nRF905的状态。模式控制接口包括TRX_CE、TX_EN、PWR_UP3个引脚，分别与单片机的P3.0、P3.2、P2.6引脚连接，用于决定nRF905的工作模式。nRF905与MSP430F149连接框图如图3所示。

图3 nRF905与MSP430F149连接框图

1.4 电源模块

考虑室外监测需求，电源模块采用1 200 mAh、3.2 V的磷酸铁锂电池供电。2节锂电池串联后通过LT1129-3.3和LT1129-5分别转换为3.3 V和5 V，3.3 V作为单片机MSP430F149和射频芯片nRF905的工作电压，LT1129-5转换的5 V电压接入继电器，继电器输出电压作为AM2306的工作电压。

2 软件设计

2.1 温湿度测量

文中设定每隔30 min读取1次温湿度传感器AM2306数据，AM2306采用单总线与 MSP430F149进行通信，首先MSP430F149通过P4.0口拉低DATA总线，并保持 500 μs以上作为开始信号，然后拉高总线20～40 μs等待AM2306发出响应信号[14-15]。AM2306监测到总线上的开始信号后，通过DATA引脚输出80 μs的低电平作为应答信号，然后拉高总线80 μs后发出1次40位测量数据，测量数据高位先出，数据格式为:8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit温度整数数据 +8 bit温度小数数据+8bit校验码，其中校验码数据为前4个字节之和，AM2306时序如图4所示。

图4 AM2306时序图

2.2 无线发送和接收

单片机无线发送数据时，先置 nRF905处于接收模式，通过判断CD引脚状态确定是否有相同频率的数据正在发送，然后置 nRF905处于空闲模式后，将发送数据写入nRF905相应的寄存器中，最后置nRF905处于发送模式，将数据无线发送出去。单片机无线接收数据时，置nRF905处于接收模式，然后睡眠等待。当nRF905监测到有效数据时，DR引脚置高触发单片机进入接收中断，此时单片机置 nRF905处于空闲模式，将nRF905接收的数据读出，数据发送和接收流程如图5所示。

图5 数据发送和接收流程图

3 实验测试

3.1 节点功耗

设置传感器节点每30 min测量一次数据，数据测量时间15 s，无线接收15 s，节点发送数据包长度为32字节，每个节点平均发送5个数据包，由于nRF905数据传输速率为50 kbps，所以节点发送5个数据包的时间为（5×32×8）/50 000≈25 ms，节点睡眠时间为30×60-（15+15+0.005×5）=1 769.975 s，用万用表测量节点在不同工作状态的电流，测量3次取平均值，测量结果见表1。

表1 节点在不同工作状下的电流

设节点的工作周期为T，睡眠时间为TS，数据采集时间为TD，数据接收时间为TRX，数据发送时间为TTX，则在一个工作周期内，节点的平均工作电流为：

将表1数据代入上式可得节点平均工作电流约为0.78 mA，若以3.6 V，3 000 mAh电池供电，节点的生命周期约为160天，可以满足现场环境的实际应用。

3.2 测量精度

在大棚的不同位置放置多个传感器节点，PC机旁放置一个汇聚节点，组成无线网络。传感器节点每10 min测量一次数据，并将测量数据打包，通过无线网络发送至接收节点，接收节点通过RS232串口将接收数据送至PC上显示。表2为传感器节点与HTC-1温湿度计的测量数据，HTC-1温湿度计的温度测量精度为±1%℃，湿度测量精度为±5% RH。从表中的数据可知，温度和湿度的最大相对误差分别为5.78%和1.37%，可以满足热带花卉数据采集的应用要求。

表2 传感器节点与HTC-1温湿度计的测量数据

4 结 论

根据热带花卉大棚信息监测的需求，本文设计了一种无线温湿度传感器节点。节点硬件处理器模块采用低功耗单片机MSP430F149，传感器模块采用数字温湿度复合传感器AM2306，无线通信模块采用低功耗、发射功率可调的射频芯片nRF905，电源模块以LT1129-3.3、LT1129-5组成的电路提供3.3 V和5 V。节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境，实现温湿度测量、数据处理、无线接收和无线发送等功能。节点具有体积小、功耗低、测量准确的特点，测试表明，节点平均工作电流约为0.78 mA，温度和湿度的最大相对误差分别为5.78%和1.37%，可以满足热带花卉数据采集的应用要求。

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Wireless sensor node based on MSP430 for monitoring temperature and humidity in the greenhouse of tropical flowers

HUANG Jian-qing1，LIU De-bing1，YUAN Qi2，GAO Jia-bao1
（1.College of Applied Science and Technology，Hainan University，Danzhou 571737，China；2.College of Mechanical&Electrical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

To collect data in the greenhouse of tropical flowers，the paper designs a wireless sensor node to monitor temperature and humidity.The node hardware platform is composed of processing module，sensor module，wireless communication，serial communication and power module.The processing module uses a MSP430F149 as the processing core.The sensor module uses AM2306 to measure temperature and humidity in the greenhouse of tropical flowers.The wireless communication module uses an RF905 RF chip and its periphery circuits to receive and send data..The serial communication module uses an MAX3232 chip to send data to computer.And the power module uses LT1129-3.3 chip，LT1129-5 chip and their periphery circuits to supply 3.3 V and 5 V voltage for node modules.The node software is compiled using C Language in IAR Embedded Workbench.The results demonstrate that the node average operating current is 0.78 mA，and the maximum relative errors of temperature and humidity are about 5.78%and 1.37%respectively.It indicates that the node with characteristics of small volume，low cost and high flexibility，can implement real-time monitoring of parameters in the greenhouse of tropical flowers，.

tropical flowers；MSP430F149；temperature and humidity；sensor node

TN92

：A

：1674－6236（2017）06-0123-04

2016-05-16稿件编号：201605145

海南省自然科学基金项目（20153096）

黄建清（1972—），女，湖南益阳人，博士，讲师。研究方向：无线传感器网络和电子信息技术在农业上的应用。