MSP430F149的無線溫濕度環境實時監測系統＊

劉承橋，張耀南，馮克庭，李柏年，楊永如

（1.蘭州大學 信息科學與工程學院，蘭州730000；2.中國科學院寒區旱區環境與工程研究所；3.甘肅省資源環境科學數據工程技術研究中心）

引 言

隨著物聯網技術的快速發展和各種大數據中心的建立，各種數據監測系統特別是無線數據監測系統應運而生，其中，無線溫濕度監測系統就是一種非常具有代表性的無線監測系統。雖然，無線溫濕度監測系統結構和功能都很簡單，但是，其在工農業生產和科研工作中，具有很高的使用價值。目前，無線溫濕度監測系統主要由中心控制單元、溫濕度采集單元和無線數據傳輸單元構成。其中，中心控制單元大都采用8位單片機作為主控制器，如51單片機、AVR單片機、PIC單片機等；溫濕度采集單元一般采用濕敏電阻和熱敏電阻，或者采用集成溫濕度傳感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等；無線數據傳輸單元多采用ZigBee無線傳感網絡。

這種系統成本較低、性能穩定，能夠滿足人們的基本需求。但是隨著社會和科技的快速發展，這種系統在數據處理速度、數據精確度、數據監測的實時性和系統功耗方面已經逐漸不能滿足人們的需求。如今，隨著大規模集成電路的快速發展，各種處理速度更快、功耗更低的單片機（如MSP430F149）在微控制系統中得到廣泛使用，測量范圍更寬、精度更高、功耗更低的集成溫濕度傳感器（如SHT21）越來越受到人們的青睞。此外，隨著移動通信技術的不斷成熟，特別是GPRS的問世，使數據的實時遠程傳輸變得簡單可靠[1，2]。本文闡述了基于低功耗單片機MSP430F149、高精度低功耗溫濕度傳感器SHT21和GPRS的無線溫濕度實時監測系統的結構、工作原理和使用情況。

1 系統結構

系統主要由主控制器、時鐘單元、報警單元、溫濕度測量單元和數據傳輸單元5部分構成。其系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

1.1 主控制器

系統選用低功耗單片機MSP430F149作為主控制器。MSP430F149單片機是TI公司推出的一款16位微處理器，支持1.8～3.6 V電壓供電，全速運行時的電流僅為280μA，休眠狀態微處理器的電流只有0.1μA；支持5種省電模式，同時具有很快的喚醒速度，喚醒時間僅為6μs；片內集成12位A/D轉換器、2種定時器、2個UART通信端口以及比較器。MSP430F149單片機采用了精簡指令集（RISC）結構，只有簡潔的27條指令，大量的指令均為模擬指令，眾多的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算，這些內核指令均為單周期指令，功能強、運行速度快；采用Flash型程序存儲器和JTAG技術，這就使得開發工具變得簡便且價格相對低廉，還能夠實現在線編程。MSP430F149單片機的運行環境溫度范圍為-40～＋85℃[3-4]。

與傳統8位微處理器相比，MSP430F149單片機功耗低得多，處理能力強大得多，開發環境更加方便高效。此外，MSP430F149單片機還具有高性能模擬技術和更為豐富的片上外圍模塊，工作穩定。用MSP430F149單片機作為主控制器，對整個系統的功耗和處理速度都有很大的改善，而且大大縮短了開發周期。

1.2 時鐘單元

時鐘單元的主要功能是計時，為整個系統工作提供一個系統時間，系統采用時鐘/日歷芯片PCF8563計時。PCF8563是Philips公司推出的一款工業級實時時鐘/日歷芯片，含I2C總線接口，功耗極低，具有報警功能、定時功能、時鐘輸出功能和中斷輸出功能，能夠完成各種復雜的定時任務。該系統主要用到PCF8563的時鐘輸出功能。

1.3 溫濕度測量單元

溫濕度測量單元的功能是測量系統所在環境的溫濕度。系統采用數字溫濕度傳感器SHT21測量溫濕度。SHT21是Sensirion公司生產的一款高性能、高精度的數字溫濕度傳感器，包含一個放大器、A/D轉換器、OTP內存和數字處理單元。SHT21的供電電壓為3.3 V，工作溫度范圍為-40～＋125℃；溫度測量范圍為-40～＋125℃，靈敏度為0.01℃，測量精度為±0.3℃（25～＋42℃）[5-6]；濕度靈敏度為0.04%RH，測量精度為±2%RH（20%～80%RH）[5-6]。正常工作情況下，SHT21的功耗只有0.9μW[5]。

SHT21是命令觸發型傳感器，當主控制器向其發送0x F3時，觸發其測量溫度，而當主控制器向其發送0x F5時，觸發其測量濕度[5]。SHT21輸出的是經過標定的數字信號，標準I2C總線格式。主控制器可直接通過I2C總線向SHT21發送命令或者從SHT21讀取數據，操作比較方便。

與傳統的溫濕度傳感器相比，SHT21的量程更大、精度更高、功耗更低、操作更簡便。使用SHT21測量溫濕度，提高了數據的準確度，降低了系統的功耗，簡化了系統結構。

1.4 報警單元

報警單元的功能是，當系統所在環境的溫濕度超出系統預設置的溫濕度的上限值時，發出急促的報警聲響，主要元件是蜂鳴器。

1.5 數據傳輸單元

數據傳輸單元的功能是當系統所在環境的溫濕度超出系統設置的溫濕度閾值時，將測得的溫濕度的值及測量時間發送到移動終端（如手機），告知使用者被監測的環境溫濕度超限，需要及時處理。為了提高數據傳輸的實時性，系統采用GPRS無線網絡傳輸數據。

GPRS（General Packet Radio Service），通用分組無線服務網絡是在原有GSM基礎之上加入SGSN、GGSN和PCU而生成的無線網絡。GPRS具有以下特點：

①利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，傳輸速率可以達到114 kbps[7]。

②采用分組交換技術，每個用戶可以同時占用多個無線信道，而每個無線信道又可同時被多個用戶共享，實現信道資源更加合理有效的利用[7]。

③具備立即聯機的性質，即客戶建立一個新的連接，幾乎無需任何額外時間。也就是說，用戶在利用手機網上沖浪或者進行通話時，也能夠接收外界發來的短消息[7]。

④按數據量收費[8]，用戶只有在發送或者接收數據時占用網絡資源，運營商才會收費，數據量越大，收費越多，反之越少。所以，用戶只需關心數據量的多少，而無需關心通信時間的長短。本系統需要傳輸的數據量較少，費用較低。

在硬件電路方面，絕大部分GPRS模塊向外提供RS-232C接口，用戶可以在嵌入式操作系統中編寫相應的PPP腳本撥號程序，直接驅動GPRS調制解調器連接上GPRS骨干網和Internet，這樣，所有采集到的數據就可以通過TCP/IP通道發送到任意一個具有GPRS網絡私有IP地址或公網IP地址的主機上去，從而實現采集數據的無線傳輸[9]。如今，隨著電子技術和嵌入式技術的發展，基于GPRS的無線傳輸模塊逐漸得到了廣泛使用。這種模塊是在原有的GPRS模塊的基礎上加上外圍電路設計而成的，通過串口與控制器通信，其PPP腳本撥號程序已由開發人員寫好。因此，使用者只需配置模塊的參數、正確操作串口，就能實現數據的無線傳輸。

2 系統工作原理

系統工作流程圖如圖2所示。系統采用可調等時間間隔測量模式，極大地增強了系統工作的靈活性。系統啟動后，使用者根據實際需要設定系統的測量間隔時間T和溫濕度的閾值。每隔時間T，系統會連續測量3次溫濕度，以保證測量的準確度。之后，系統會將測量的溫濕度的值與預設的溫濕度的閾值進行比較。如果所測得的溫濕度的值超過設定的閾值，則系統會立即將機房編號、測量時間、溫濕度值發送給移動終端，并提示工作人員機房需要維護；否則，系統只在規定的時間將機房編號、測量時間、溫濕度值和系統運行狀態發送給移動終端。

圖2 系統工作流程圖

3 系統運行結果

將該系統安裝在中國科學院寒區旱區環境與工程研究所大數據中心1號機房，測量間隔時間設置為10 s，溫度閾值為設定為40℃，濕度閾值設定為10%RH。若環境溫度未超過40℃且濕度未低于10%RH，則系統將會在上午十點將機房編號、測量時間、溫濕度值和系統運行狀態（“running！”）發送給移動終端；否則，系統立即將機房編號、測量時間、溫濕度值和相關提示信息（“Please check！”）發送給移動終端。系統運行4個月，部分結果如圖3和圖4所示。

圖3 移動終端接收到的數據（1）

圖4 移動終端接收到的數據（2）

結 語

該系統選用低功耗器件，采用可調等時間間隔測量模式，并利用GPRS技術，成功實現了對環境溫濕度的無線實時監測。系統結構簡單、功耗低、測量范圍寬、精確度較高、測量模式靈活、實時性較強，能為管理者提供較為精確的實時數據，不僅可用于機房，還可用于農業生產（比如溫室大棚）和工業生產（比如生產車間溫濕度監控）。系統適用范圍較廣，具有一定的推廣和使用價值。

[1]馬洪偉，盛翊智.GPRS技術在無線傳輸數據中的應用[J].微機發展，2005，3（3）：101.

[2]劉國錦，劉新霞.GPRS無線數據傳輸技術的應用[J].信息化研究，2010，36（2）：1.

[3]李彬，王朝陽，卜濤，等.基于MSP430F149的最小系統設計[J].應用天地，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數字濕度和溫度傳感器[J].傳感器世界，2010（5）：46.

[7]劉云浩.物聯網導論[M].2版.北京：科學出版社，2013：148.

[8]季堃，徐崢.基于GPRS無線網絡的環境監控管理系統設計[J].微計算機信息，2006，22（8-2）：242-243.

[9]周云輝，范立志.基于GPRS的無線監控管理系統中遠程終端撥號接入技術的實現[J].湖南理工學院學報：自然科學版，2004，17（3）：66-67.