基于MSP430F149的无线环境监测传感器系统设计

引言
 
　　传感器技术与通信技术、计算机技术相结合构成的智能传感器以其较高的精度、良好的可靠性、功能的多样性等特点在过程控制以及信号监测中得到人们的关注, 已成为当今国内外研究的一大热点。本文设计了一种用于对环境信息进行实时监测的无线传感器系统, 在实际应用中能够对环境参数进行准确的测量并可靠传输, 体现了传感器系统数字化、智能化、无线化的优点。
 
　　该系统以MSP430F149 超低功耗微控制器为核心, 配置新式的微型低功耗传感器, 可实时地对所测环境的温度、湿度、光照强度、有害气体浓度等参数进行测量处理。采用电池供电,无线传输, 避免了布线的烦琐, 而且具有良好的便携性。

系统硬件设计
 
　　整个传感器系统包括微处理器模块( 16 位单片机MSP430F149、日历时钟芯片、复位电路及外围电路) 、传感器测量模块( 温湿度传感器、光照强度传感器、半导体型可燃气体敏感元件MQ306A) 、存储器模块( Flash 存储器SST25VF020) 、数据通信模块( 串口通信、无线通信) 、电源模块( LT1962EMS83.3、LT1761ES5- 5、LTC3459ES6) , 系统框图如图1。

微处理器模块

MSP430F149 是TI 公司生产的一款超低功耗单片机, 能够在1.8 V～3.6 V 电压、1 MHz 的时钟条件下运行, 具有5 种节电模式, 耗电流为0.1μA～400μA, 能够在数据检测时充分节电, 满足电池供电下的节能要求; 具有强大的处理能力(RISC 结构、8MHz 晶体、驱动指令周期125 ns) 和丰富的片内外设( 60 KB+256B Flash、2 KB RAM、12 位A/D 转换,2 个串口/SPI 接口, 48 个I/O 口等) 。
 
　　PCF8563 是Philips公司推出的一款工业级具有I2C 总线接口的低功耗多功能时钟/日历芯片。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能可完成各种复杂的定时服务, 甚至可为单片机提供看门狗功能。该器件的内部时钟电路、振荡电路、低电压检测电路( 1.0 V) 以及两线制I2C 总线通讯方式不但使外围电路更加简洁, 而且增加了芯片的可靠性。而且,每次读写数据后, 内嵌的字地址寄存器自动产生增量。其连接电路如图2。

传感器测量模块

光照强度传感器

该系统选用了TI 公司的TSL230B 来测量环境周围的光线强度。该器件采用先进的LinCMOSTM 工艺, 主要由多晶硅光电二极管和单片CMOS 电流频率集成转换器构成。不需外接元件即可完成高分辨率的光照度/频率转换。可将一定光谱的光转换成电流, 再由电流/频率转换器转换成相应的脉冲频率。输出方波或者三角波的频率完全由光照幅度决定, 分辨率高, 可以直接与微处理器相连, 如图3所示。S0、S1 为灵敏度控制端, 实际上是通过改变器件上方的感光面积来调整灵敏度; S2、S3 为满量程选择端; OUT 为频率信号输出端, 进入单片机的捕获输入, 通过计算两次捕获时间内计数器的数值差, 便可以计算出输出频率值, 根据图4 所示的频率- 能量关系曲线图对照, 从而得到光线强度( 单位: μW/cm2) 。

温度湿度传感器

温度、湿度的测量采用瑞士Sensirion 公司研制的SHT11 型智能化湿度/温度传感器, 它采用CMOSens 专利技术(CMOS 和传感器技术的融合) ,外形尺寸仅为7.5 mm×5 mm×2.5 mm。SHT11 具有I2C 总线接口, 接口电路简单, 并具有数字式输出、免调试、免标定、一致性好的特点。
 
　　SHT11 内部主要包括相对湿度传感器、温度传感器、放大器、A/D 转换器、校准存储器( E2PROM) 、随机存取存储器(RAM) 、状态寄存器、循环冗余校验码(CRC) 寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路; 可给出全校准相对湿度及温度值输出; 具有露点值计算输出功能; 湿度值输出分辨率为14 位, 温度值输出分辨率为12 位, 并可编程为12 位和8 位; 具有数据传输校验功能。此传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点, 其工作原理如图5 所示。

气敏传感器

该系统采用半导体型可燃气体敏感元件MQ306A, 此传感器是一种二氧化锡型半导体气敏元件, 具有灵敏度高、稳定性高、寿命长、驱动电路简单、电信号输出大等特点, 适合家庭、工厂、商业场所可燃气体的泄漏检测。该传感器通过固定或可调外接负载电阻上电压的变化获得元件电阻的变化。测量电路将传感器的输出信号经过一个低通巴特沃思滤波器和低功耗运算放大器LMV324 实现阻抗匹配, 进入单片机MSP430F149 的12 位A/D 转换, 得到电阻变化值。然后根据MQ306A 的灵敏度特性曲线图反映器件电阻和气体浓度之间的关系。

存储器模块

存储器模块采用超捷( SST) 公司的SST25VF020, 它以高效能超快闪( SuperFlash) 技术为基础, 采用标准的8 引脚SOIC 封装及超薄型WSON 封装, 使用较少的引脚, 与EEPROM 等非易失性内存解决方案相比, 可减少电路板空间、耗能及成本。提供最新自动地址增值(AAI) 资料写入模式, 相较于单一字节资料写入模式, 能将整个闪存的资料写入时间减少50%。SST25VF020 大小为2Mbit , 具有低功耗、灵活快速擦除、能够进行写保护等特点。

数据通信模块

无线通信模块采用挪威Nordic 公司研制的nRF401 无线收发器件, nRF401 可工作在433.92MHz/434.33 MHz ISM频段。它采用FSK 调制解调技术, 抗干扰能力强, 并采用PLL 频率合成技术, 频率稳定性好, 发射功率可达10dB, 接收灵敏度达-105dB, 数据传输速率可达20 kb/s, 工作电压范围为+3V～5V。nRF401 无线收发器外围电路简单,并可直接与单片机串口连接, 设计中工作频率锁定在434.33 MHz。
 
　　nRF401 的ANT1 和ANT2 引脚分别是接收时低噪声接收放大器LNA 的输入, 以及发送时发射功率放大器( PA) 的输出。天线可以以差分方式连接到nRF401, 一个50 Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401, 目前实际应用中距离可达300 m 左右。
 
　　本系统用RS232 串口实现PC 机与传感器系统间的串行通信, 利用MAX3232 进行驱动。

电源模块

系统采用3节5号电池供电, 利用LT1962、LT1761、LTC3459ES6 电源器件为单片机、传感器等提供合适的工作电压。

系统软件设计

单片机测控软件设计

测控程序利用MSP430 系列单片机配套的开发环境IAR Embedded Workbench 开发, 它同时支持汇编语言和C 语言编写。本系统采用C 语言来开发测控程序, 利用MSP430 系列单片机的JTAG 接口,通过TI 公司所带的仿真器FET 可以方便的进行程序调试和代码下载。所有程序采用模块化设计, 主流程如图6 所示。

上位机软件设计

上位机控制软件使用VC++6.0 和Access2002进行编程设计, 按其功能主要分为数据处理模块和数据库模块, 如图7。

数据处理模块主要完成数据的屏幕显示、报表的打印输出等功能。数据库模块主要实现数据记录的查询、统计、删除、打印等功能。数据库提供了多种约束条件进行快速查询, 如按时间段查询、传感器类型查询、测控机查询等, 统计数据可以表格、动态曲线、直方图等形式显示。

结束语
 
　　本系统实现了计算机在有线系统不能或者难以控制受控对象的场合( 特别是恶劣环境下的作业现场) 下, 对传感器系统采集数据的实时无线监测。系统具有较低的功耗, 能在各种环境下进行数据的采集与处理。