王鵬，譚峰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶163319）

育秧是從種子吸水萌芽到培養(yǎng)出適齡秧苗的過(guò)程，與環(huán)境條件關(guān)系密切，在育秧過(guò)程中要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)適宜種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的環(huán)境，以培育壯秧。然而北方冬天寒冷多雪，雪就堆積在育秧棚的周圍，用人工清雪工作量太大，用機(jī)械清雪容易把下面鋪設(shè)好的電纜推斷了。育秧群棚監(jiān)控系統(tǒng)就是針對(duì)于這些而開發(fā)的，它以低功耗平穩(wěn)高效運(yùn)行一個(gè)育秧周期，實(shí)現(xiàn)高精度的溫濕度檢測(cè)，并能根據(jù)不同的生長(zhǎng)期需要的溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)置，當(dāng)溫濕度值超限，將數(shù)據(jù)上傳到值班室并進(jìn)行聲光報(bào)警，值班人員只需要對(duì)著上位機(jī)電腦就可以看到上百個(gè)棚當(dāng)前的狀態(tài)，并通過(guò)電腦進(jìn)行溫濕度值的控制，再也不需要對(duì)每個(gè)棚檢查，操作簡(jiǎn)單，也不會(huì)有任何棚被漏掉，不但提高作業(yè)效率、減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得秧苗長(zhǎng)得更壯，也是我國(guó)農(nóng)業(yè)向智能化、自動(dòng)化方向又邁進(jìn)了一步，因而具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

1 低功耗設(shè)計(jì)原理

單片機(jī)的低功耗設(shè)計(jì)要進(jìn)行功耗分析，主要是對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能、可靠性進(jìn)行綜合分析，確定低功耗設(shè)計(jì)的可行性。低功耗設(shè)計(jì)主要是對(duì)電路的設(shè)計(jì)和器件的選擇。在器件選擇上，要盡量實(shí)現(xiàn)全CMOS化的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)遵守三相宜原則，即電壓宜低不宜高、頻率宜慢不宜快、系統(tǒng)宜靜不宜動(dòng)。CMOS器件的功耗由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)功耗組成：

從上式可知，電源電壓對(duì)系統(tǒng)的功耗應(yīng)系那個(gè)最大，其次是工作頻率，再就是負(fù)載電容。對(duì)設(shè)計(jì)而言，負(fù)載電容一般是不可控的，故在不影響系統(tǒng)性能的前提下，設(shè)計(jì)一個(gè)低功耗的單片機(jī)系統(tǒng)主要有兩種途徑：（1）盡可能境地工作電壓；（2）使用低頻率的時(shí)鐘。在電路設(shè)計(jì)方面，主要是進(jìn)行單片機(jī)低功耗方式（睡眠模式和掉電模式）的喚醒電路設(shè)計(jì)，外圍功耗控制接口設(shè)計(jì)（即外圍器件關(guān)斷控制）和電源管理電路的設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)

構(gòu)建一種低功耗和小型化電池供電，以適應(yīng)水稻秧棚監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的需要。從嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的3個(gè)階段（元器件選擇、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)）進(jìn)行了超低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大限度地降低功耗。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。方案采用溫濕度一體傳感器SHT11，將采集到的溫濕度值傳送到單片機(jī)MSP430F149的采樣端口。通過(guò)DS1302時(shí)鐘芯片對(duì)單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)，在12 864液晶屏上顯示當(dāng)前溫濕度值，并通過(guò)無(wú)線模塊把數(shù)據(jù)按給定的時(shí)間發(fā)送給上位機(jī)。

圖1 流程圖Fig.1 Flowchart

2.1 MSP430F149單片機(jī)

MSP430F149單片機(jī)[1]是一種超低功耗的16位RISC混合信號(hào)處理器，其有16個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒只要6微秒，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將CPU置于省電模式，用中斷方式喚醒程序；在1.8～3.6 V電壓、1 MHz的時(shí)鐘條件下，耗電電流在0.1～400μA之間，因不同的工作模式而不同，其能夠在實(shí)現(xiàn)液晶顯示的情況下只耗電0.8μA。典型情況：在4 kHz， 2.2 V條件下工作消耗電流2.5μA；在1 MHz，2.2 V條件下工作消耗電流280μA，在只有RAM數(shù)據(jù)保持的低功耗模式下耗電0.1μA?？梢娖涔奶貏e小，是低功耗微處理器的典型。

2.2 溫濕度傳感器SHT11

SHT11[2-5]是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器。該傳感器采用獨(dú)特的CMOSens TM技術(shù)，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換的特點(diǎn)。溫度量程為-40℃～123.8℃，濕度量程為0～100%RH，電源電壓范圍為2.4～5.5 V，電流消耗，測(cè)量時(shí)為550μA，平均為28μA，休眠時(shí)為3μA。

圖2 SHT11連接圖Fig.2 SHT11 Connection diagram

SHT11通過(guò)串行口與單片機(jī)相連，串行數(shù)據(jù)DATA用于內(nèi)部數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入，串行時(shí)鐘SCK用于SHT11和單片機(jī)之間通信同步。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時(shí)鐘上升沿后有效。因此，單片機(jī)可以在SCK高電平時(shí)讀取數(shù)據(jù)，而當(dāng)其向SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，同時(shí)保證DATA線上的電平狀態(tài)在SCK高電平段穩(wěn)定。

2.3 無(wú)線模塊

CC1010[6]是挪威Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗、超高頻芯片。芯片采用Chipcon公司的0.35μmCOMS技術(shù)制成，內(nèi)嵌高性能8051微控制器、32 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和2 176字節(jié)的SRAM，能夠工作與315、433、868和915 MHz 4個(gè)ISM頻段。芯片低電壓（2.7～3.6 V）供電并且功耗非常低（接收數(shù)據(jù)時(shí)工作電流只有9 mA），靈敏度高，通信速率為76.8 kb·s-1。

MSP430通過(guò)485與CC1010無(wú)線通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在接受模式中，CC1010被配制成外差式接收機(jī)。RF輸入信號(hào)被低噪聲放大器放大，并經(jīng)過(guò)混頻器變換的信號(hào)在送入解調(diào)器之前被放大和濾波，然后將解調(diào)器輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)送入微控制器進(jìn)行處理。在發(fā)射模式下，芯片內(nèi)部壓控振蕩器（VCO）的輸出信號(hào)直接送入功率放大器，RF輸出是有微控制器的數(shù)字比特流頻移鍵控形成的。其頻率合成器產(chǎn)生的本振信號(hào)在接受模式時(shí)被送到混頻器MIXER然后在發(fā)射模式是饋送到功率放大器。芯片中的頻率合成器由警惕振蕩器、相位檢波器、充電泵、VCO和分頻器組成。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言模塊化設(shè)計(jì)編程，包括主程序初始化模塊、溫濕度檢測(cè)子程序模塊、顯示模塊和無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)模塊。主要通過(guò)MSP430F149單片機(jī)讀取SHT11溫濕度數(shù)據(jù)，并按照相應(yīng)的換算公式轉(zhuǎn)化成實(shí)際溫濕度數(shù)值并儲(chǔ)存。然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送給上位機(jī)。

圖3 結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure diagram

圖3為該系統(tǒng)的主流程圖，系統(tǒng)上電后清除“看門狗”輸入，進(jìn)行定時(shí)器和中斷處理操作的初始化，設(shè)定各個(gè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元，進(jìn)行參數(shù)的設(shè)定包括時(shí)間、門限大小等。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照設(shè)定進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示出來(lái)并中斷發(fā)送出去。執(zhí)行完以上操作后中斷返回。

3 數(shù)據(jù)處理

在850農(nóng)場(chǎng)科研站標(biāo)準(zhǔn)溫室育秧棚內(nèi)以對(duì)角線方式平局分布4個(gè)采集點(diǎn)，放在距離地面0.2m的高度，進(jìn)行一個(gè)育秧周期的數(shù)據(jù)采集。這樣放置能夠準(zhǔn)確測(cè)量秧苗表面的溫度值，使測(cè)量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確?，F(xiàn)取棚內(nèi)溫度值（圖4）、濕度值（圖5）進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)定點(diǎn)分析。首先對(duì)4點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)偏差的運(yùn)算，來(lái)確定哪一點(diǎn)和期望值更加接近，遂確定采用這點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。經(jīng)計(jì)算（表1）采集點(diǎn)3的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，采用采集點(diǎn)3的采集來(lái)的值，對(duì)其他采集點(diǎn)進(jìn)行表示（表2）。

圖4 溫度值Fig.4 Temperature

圖5 濕度值Fig.5 Humidity

表1 標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1 Standard deviation

表2 回歸分析相關(guān)參數(shù)Table 2 Regression analysis related parameters

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是測(cè)量準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試使用方便、性價(jià)比高。用溫濕度數(shù)字傳感器SHT11檢測(cè)秧棚溫濕度，既解決了傳統(tǒng)濕敏電阻和熱敏電容帶來(lái)的電路復(fù)雜的問(wèn)題，又避免了大量安裝多個(gè)傳感器所面臨的高成本等問(wèn)題。在軟件設(shè)計(jì)中加入了“看門狗”和軟件陷阱。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置運(yùn)行可靠，測(cè)量誤差小，具有良好的應(yīng)用效果。

［1］胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

［2］齊秋紅,馬斌,韓中華，等.基于SHT11的智能建筑室內(nèi)溫濕度檢測(cè)［J］.樓宇自動(dòng)化,2008（18）：1-3.

［3］高翔，陳志輝.一種基于MSP430F1232的溫濕度［J］.電子元器件應(yīng)用，2007，9（3）：14-16.

［4］張艷麗,張勇.基于SHT11的溫濕度控制器［J］.兵工自動(dòng)，2007，26（5）：83-84.

［5］馮顯英,葛榮雨.基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化儀表,2006,27（1）：59-61.

［6］梁春英,王熙,張成勝，等.玉米聯(lián)合收獲機(jī)電子監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,22（2）：28-30.