摘要：為了能夠對大型糧倉內的溫濕度進行監(jiān)控，采用CC2500射頻芯片和SHT11數(shù)字溫濕度傳感器，設計了一種基于MSP430單片機的實用糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)及相關的軟硬件結構。該系統(tǒng)利用ZigBee無線通信技術構建了分布式無線傳感器網(wǎng)絡，通過傳感器節(jié)點對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，具有組網(wǎng)簡單，維護方便，運行費用低等優(yōu)點，能夠實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。
關鍵詞：溫濕度；CC2500；MSP430；ZigBee；SHT11

0 引言
    現(xiàn)代化的糧食倉儲系統(tǒng)對糧食的安全性提出了更高的要求。在糧倉管理過程中，濕度和溫度是兩個重要的控制指標，直接影響糧食的儲存質量。為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內溫度與濕度的監(jiān)測工作。傳統(tǒng)的人工測試方法費時費力，效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大；如果利用有線通信網(wǎng)絡線纜將傳感器節(jié)點組成糧倉溫濕度檢測網(wǎng)絡，需要對糧倉內部進行較大規(guī)模的電源、線纜安裝工作，不便于后續(xù)的檢查、維修和改造。因此，溫濕度測控的無線化、智能化和信息化管理已成為包括糧倉系統(tǒng)在內的倉庫儲備技術的發(fā)展趨勢。
    本文設計采用無線傳感器網(wǎng)絡技術進行周圍環(huán)境的檢測和控制。無線傳感器網(wǎng)絡不需要較高的傳輸帶寬，但是需要較低的傳輸時延，同時對功率消耗十分敏感，因此選擇采用無線傳輸芯片和超低功耗嵌入式處理器，構造分布式的無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡，以實現(xiàn)對糧倉溫濕度的網(wǎng)絡化實時檢測和報警、通風及排濕控制。

1 MPS430芯片
1．1 芯片功能
    MPS430單片機是由TI公司推出的一系列超低功耗微處理器。它的顯著特性是具有超低功耗，有5個低功耗模式可供選擇，而且喚醒時間很短，只需要6μs，同時還擁有強大的處理能力，豐富的片上外圍模塊，靈活的時鐘系統(tǒng)，穩(wěn)定的工作狀態(tài)，方便高效的開發(fā)方式等特點。以上特性使之成為電池供電便攜設備的首選微處理器。
1．2 芯片結構
    本系統(tǒng)以MSP430F449作為傳感器和無線射頻芯片的MCU，其最小系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2 無線通信網(wǎng)絡
2．1 ZigBee技術
    ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術。主要適合于自動控制和遠程控制領域。
    從網(wǎng)絡節(jié)點邏輯功能上，ZigBee設備可以分為終端設備、路由節(jié)點、網(wǎng)絡協(xié)調器；一個ZigBee網(wǎng)絡有且僅有一個協(xié)調器，該設備負責啟動網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡成員地址，維護網(wǎng)絡等。路由器主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡及路由消息的功能，終端設備則負責與實際的監(jiān)控對象相連，是實現(xiàn)具體功能的單元。ZigBee技術可采用的拓撲模型有星型、簇樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。
2．2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構
    本系統(tǒng)采用簇樹型網(wǎng)絡結構，其優(yōu)點是路由相對比較簡單，便于擴展，可簡化連接。簇樹型網(wǎng)絡結構由一個協(xié)調器和多個星型結構連接而成，每個星型結構中包括數(shù)個數(shù)據(jù)采集節(jié)點(終端設備)和一個或多個路由節(jié)點，網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示。

    系統(tǒng)采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)設備之間的無線通信，數(shù)據(jù)采集節(jié)點負責采集現(xiàn)場溫濕度數(shù)據(jù)，通過無線模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點；路由器節(jié)點對信息進行綜合后把數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調器；協(xié)調器通過RS 232串口與PC機相連，用來收集整個網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，并能向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送命令和參數(shù)設置信息，實現(xiàn)與終端設備的通信。

3 硬件設計
3．1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計
    每個數(shù)據(jù)采集節(jié)點由數(shù)字化溫濕度傳感器(SHT11)、數(shù)據(jù)處理單元(MSP430)、無線傳輸模塊(CC2500)及時鐘日歷模塊(PCF8563)組成，如圖3所示。

    溫濕度傳感器SHT11完成區(qū)域內的溫濕度信息采集和數(shù)據(jù)轉換；數(shù)據(jù)處理單元負責控制整個傳感器節(jié)點的操作和數(shù)據(jù)存儲；無線模塊負責與其他傳感器節(jié)點進行通信，時鐘日歷模塊為整個系統(tǒng)提供時間基準，同時為采集數(shù)據(jù)添加時問標志；能量供應模塊部分使用普通電池，為系統(tǒng)各個部分提供能量。
    數(shù)字傳感器采用瑞士Sensirion公司推出的新型溫濕度傳感器SHT11。該芯片包括濕度和溫度敏感元件、信號放大調理、A／D轉換和I2C總線接口。采集溫濕度數(shù)據(jù)時，芯片中的2個敏感元件分別將濕度和溫度轉換成電信號，該電信號由微弱信號放大器進行放大后，經(jīng)過14位的A ／D轉換器變成數(shù)字信號，然后通過I2C總線接口輸出數(shù)字信號。溫濕度傳感器SHT11與單片機的電路連接圖如圖4所示。

    無線模塊中CC2500芯片是Chipcon公司推出的單片無線收發(fā)一體化芯片，是業(yè)界體積最小，功耗最少，外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片之一，其主要特性有體積小，外圍電路簡單；低功耗，靈敏度高，速率可調；支持包數(shù)據(jù)處理；接收數(shù)據(jù)時，有信息同步字自動檢測、地址檢測、信息長度分析和CRC校驗等功能；具有WOR功能，保證芯片在深度睡眠時周期性地蘇醒，探聽周圍是否有信號。
    時鐘日歷模塊的PCF8563是PHILIPS公司生產(chǎn)的低功耗CMOS實時時鐘／日歷芯片，通過I2C總線接口與單片機連接，連接圖如圖5所示，可向單片機發(fā)送當前時間信息，并提供時鐘基準信號。

    單片機MSP430F449通過SPI總線與CC2500芯片的接口連接，發(fā)送端與接受端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可實現(xiàn)半雙工通信。
    數(shù)據(jù)采集節(jié)點由單片機MSP430F449控制，定時向溫濕度傳感器SHT11發(fā)送讀溫度和濕度指令，SHT11檢測溫濕度信息，并輸出數(shù)字信號，MSP430F449在接收到溫濕度的數(shù)值后，將這些數(shù)據(jù)傳輸至CC2500，由CC2500負責對信號進行打包處理，并發(fā)送給路由節(jié)點。
    為了降低系統(tǒng)功耗，數(shù)據(jù)采集節(jié)點通常在閑置時進入休眠模式，其外設模塊也進入休眠狀態(tài)，或者電源管理部分不對這些外設模塊供電。
3．2 數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點設計
    路由節(jié)點和協(xié)調器都屬于數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點，負責數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理，主要由數(shù)據(jù)處理模塊(MPS430)、無線模塊(CC2500)和一些外圍器件構成，路由節(jié)點采用電池供電，協(xié)調器采用USB供電或者是交流電供電，其結構圖如圖6所示。

    協(xié)調器通過串口RS 232與PC機相連，其功能相當于一個接入點，一方面將主機向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送的控制信號以無線的方式發(fā)射出去，另一方面接收采集數(shù)據(jù)并上傳給主機。

4 軟件設計
    系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)收發(fā)程序兩部分，它們都包括初始化程序、發(fā)射程序和接收程序。
    初始化程序主要是對單片機、射頻芯片、SPI接口等進行設置；發(fā)射程序將建立的數(shù)據(jù)包通過單片機SPI接口送至無線模塊輸出；接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并進行處理。數(shù)據(jù)采集子程序主要負責根據(jù)無線命令實時采集糧倉的溫濕度數(shù)據(jù)信息，軟件流程如圖7所示。

    數(shù)據(jù)收發(fā)程序主要負責向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送信息，并接收返回數(shù)據(jù)，綜合后向上層節(jié)點傳送，軟件流程如圖8所示。

5 結語
    本文以低成本、低功耗為目標，采用ZigBee技術和CC2500芯片，設計基于MPS430單片機的糧倉溫濕度檢測系統(tǒng)，網(wǎng)絡結構簡單，系統(tǒng)成本低，且易于擴展，整個系統(tǒng)能夠滿足長時間糧倉溫濕度監(jiān)測的需求，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，在實際中有很好的應用價值。