馮琛皓+劉瑞安+羅晨嫻

摘 要 以超低功耗的MSP430F5xx單片機為控制核心，設(shè)計實現(xiàn)了一個低功耗的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，制作監(jiān)測終端和探測節(jié)點。整個無線傳輸系統(tǒng)采用OOK（On-Off Keying）調(diào)制方式，終端能從節(jié)點獲取相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，如紫外線輻射量、可吸入顆粒物濃度、SO2濃度、溫度、濕度、風(fēng)速，將其顯示在觸摸液晶屏上，同時用戶可以選擇上限報警功能，以完成友好的人機交互。

關(guān)鍵詞 MSP4305xx；無線傳輸；低功耗；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環(huán)境日趨惡劣，越來越多的人開始關(guān)注周圍的環(huán)境，因為這直接關(guān)系到每個人的切身利益，但是由于我國人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強、污染監(jiān)控點布設(shè)不合理、經(jīng)濟技術(shù)條件比較落后等客觀因素，造成以現(xiàn)有方式獲取的數(shù)據(jù)不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發(fā)具有高性價比的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、個人化、智能化的目標(biāo)，滿足每個人對周圍環(huán)境的知情權(quán)與監(jiān)督權(quán)。

隨著科技日新月異的變化，環(huán)境檢測由經(jīng)典的化學(xué)分析逐漸發(fā)展為傳感器檢測，無線傳輸技術(shù)也以其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性得到了各行各業(yè)的廣泛接受。這些都為環(huán)境的無線智能監(jiān)測提供了極大的可能。

1 總體方案設(shè)計

整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)——監(jiān)測終端子系統(tǒng)和探測節(jié)點子系統(tǒng)，這兩個子系統(tǒng)各需要一個主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)統(tǒng)一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F5xx系列單片機，該款單片機的超低功耗的特點對于本設(shè)計很重要。在信號調(diào)制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調(diào)制方案。為了實現(xiàn)友好的人機交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發(fā)揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優(yōu)勢。無線通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，與四雙向模擬開關(guān)IC——CD4066，由MSP430單片機進(jìn)行控制。最后確定通信協(xié)議方案，設(shè)計思想是由終端發(fā)出一個同步傳輸?shù)男盘?，?jié)點接收并與自己的“身份”進(jìn)行校對，驗證完畢后，探測節(jié)點將檢測到的環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式向監(jiān)測終端發(fā)送。通過相關(guān)的選擇與設(shè)計，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 無線通信模塊

該系統(tǒng)設(shè)計主要包括監(jiān)測終端信息處理和探測節(jié)點信息采集，兩者之間信息的交互采用無線通信的方式。該無線通信模塊使得探測節(jié)點將環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式傳送給監(jiān)測終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時也可以使監(jiān)測終端對探測節(jié)點進(jìn)行身份校驗。

無線通信模塊的載波信號由基于DDS數(shù)字頻率載波的AD9854芯片產(chǎn)生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產(chǎn)生穩(wěn)定的30 MHz正弦波信號即可。此載波信號進(jìn)入四雙向模擬開關(guān)CD4066，再通過天線發(fā)射出去。該模擬開關(guān)可作為模擬或數(shù)字信號的多路傳輸，待傳輸?shù)哪M信號的上限頻率應(yīng)為40 MHz，各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為-50dB。

2.2 環(huán)境檢測模塊

為滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時、便捷、高性價比的要求，應(yīng)充分利用目前發(fā)展較為成熟的傳感器技術(shù)。對于SO2濃度的檢測，本系統(tǒng)采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學(xué)氣體傳感器，通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。而對于灰塵粉塵的檢測采用DSM501傳感器，它的特點是采用粒子計數(shù)原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，便于進(jìn)行數(shù)字信號處理。溫濕度的檢測采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術(shù)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應(yīng)迅速、低功耗等特點。檢測太陽光紫外線強度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應(yīng)極快、全互換性好，實現(xiàn)了測量紫外線指數(shù)（UVI）的高可靠性和精確性。對于風(fēng)速的檢測，本系統(tǒng)采用WS-01傳感器。WS-01風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；精密信號處理單元可根據(jù)場合需要輸出各種信號。

2.3 人機交互模塊

該系統(tǒng)中人機交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報警部分。MSP430F5xx作為人機交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報警子模塊連接，負(fù)責(zé)實現(xiàn)觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報警功能。當(dāng)MSP430F5xx接收到來自探測節(jié)點的環(huán)境信息時，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動觸摸液晶屏進(jìn)行相應(yīng)的字符及圖形顯示操作，同時當(dāng)用戶完成相應(yīng)的菜單選擇后，也可以接收到相應(yīng)的觸摸信號，對需要顯示的信息以及是否開啟上限報警功能進(jìn)行切換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發(fā)模塊子程序、環(huán)境參數(shù)采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅(qū)動模塊子程序以及上限報警模塊子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 理論分析

4.1 低功耗分析

在本系統(tǒng)中，MSP430F5xx單片機的供電電壓為3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz無源晶振各自產(chǎn)生的兩組時鐘，以及DCO數(shù)字振蕩器產(chǎn)生的時鐘。當(dāng)MSP430F5xx單片機在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運行時，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節(jié)電方式下的最低電流可達(dá)0.1μA。硬件上的設(shè)計確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統(tǒng)的工作時鐘和工作模式，并且大多數(shù)情況下，單片機在執(zhí)行完相關(guān)操作后立即進(jìn)入低功耗模式，以便于控制總體功耗。

要想降低功耗，一方面在于微處理器的設(shè)計，另一方面也要關(guān)注電源的管理和外圍功耗電路的接口設(shè)計。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數(shù)據(jù)通信后立即進(jìn)入睡眠模式，以盡可能地保證系統(tǒng)的低功耗。

4.2 通信協(xié)議

由于待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息比較長，而已有的通信協(xié)議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設(shè)計一套通信協(xié)議，以滿足該系統(tǒng)的通信要求。在發(fā)送信息時，首先發(fā)送一個中斷使能脈沖，隨后發(fā)送一個16位的地址碼，接收的數(shù)據(jù)為若干幀16位的數(shù)據(jù)碼。地址碼與數(shù)據(jù)碼格式分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址碼

表4 16位數(shù)據(jù)碼3

4.3 載波信號

為得到相應(yīng)的載波信號，應(yīng)通過單片機對AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進(jìn)行控制。其中，AD9854產(chǎn)生所需要的輸出信號頻率fout的計算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數(shù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于MSP430F5xx單片機的無線低功耗智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，監(jiān)測終端既負(fù)責(zé)完成人機交互又需要控制探測節(jié)點，探測節(jié)點主要是將環(huán)境檢測模塊所測得的環(huán)境信息通過無線方式傳輸給監(jiān)測終端，從而實現(xiàn)高效、實時地對周圍環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測，具有廣闊的發(fā)展前景。該系統(tǒng)很容易實現(xiàn)探測節(jié)點與監(jiān)測參數(shù)的拓展，以滿足更大范圍、更多參數(shù)的監(jiān)測要求。

基金項目

天津市高等學(xué)校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201310065037）；天津市自然科學(xué)基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻(xiàn)

[1]姜進(jìn)，等.基于MSP430單片機的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，10（1）：45-48.

[2]蔡文斌，等.基于農(nóng)業(yè)大棚低功耗無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，27（4）：549-552.

[3]魏國，等.基于數(shù)字信號處理技術(shù)的粉塵傳感器開發(fā)及應(yīng)用[A].2012年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集（下）[C].2012.endprint

摘 要 以超低功耗的MSP430F5xx單片機為控制核心，設(shè)計實現(xiàn)了一個低功耗的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，制作監(jiān)測終端和探測節(jié)點。整個無線傳輸系統(tǒng)采用OOK（On-Off Keying）調(diào)制方式，終端能從節(jié)點獲取相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，如紫外線輻射量、可吸入顆粒物濃度、SO2濃度、溫度、濕度、風(fēng)速，將其顯示在觸摸液晶屏上，同時用戶可以選擇上限報警功能，以完成友好的人機交互。

關(guān)鍵詞 MSP4305xx；無線傳輸；低功耗；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環(huán)境日趨惡劣，越來越多的人開始關(guān)注周圍的環(huán)境，因為這直接關(guān)系到每個人的切身利益，但是由于我國人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強、污染監(jiān)控點布設(shè)不合理、經(jīng)濟技術(shù)條件比較落后等客觀因素，造成以現(xiàn)有方式獲取的數(shù)據(jù)不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發(fā)具有高性價比的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、個人化、智能化的目標(biāo)，滿足每個人對周圍環(huán)境的知情權(quán)與監(jiān)督權(quán)。

隨著科技日新月異的變化，環(huán)境檢測由經(jīng)典的化學(xué)分析逐漸發(fā)展為傳感器檢測，無線傳輸技術(shù)也以其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性得到了各行各業(yè)的廣泛接受。這些都為環(huán)境的無線智能監(jiān)測提供了極大的可能。

1 總體方案設(shè)計

整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)——監(jiān)測終端子系統(tǒng)和探測節(jié)點子系統(tǒng)，這兩個子系統(tǒng)各需要一個主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)統(tǒng)一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F5xx系列單片機，該款單片機的超低功耗的特點對于本設(shè)計很重要。在信號調(diào)制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調(diào)制方案。為了實現(xiàn)友好的人機交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發(fā)揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優(yōu)勢。無線通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，與四雙向模擬開關(guān)IC——CD4066，由MSP430單片機進(jìn)行控制。最后確定通信協(xié)議方案，設(shè)計思想是由終端發(fā)出一個同步傳輸?shù)男盘枺?jié)點接收并與自己的“身份”進(jìn)行校對，驗證完畢后，探測節(jié)點將檢測到的環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式向監(jiān)測終端發(fā)送。通過相關(guān)的選擇與設(shè)計，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 無線通信模塊

該系統(tǒng)設(shè)計主要包括監(jiān)測終端信息處理和探測節(jié)點信息采集，兩者之間信息的交互采用無線通信的方式。該無線通信模塊使得探測節(jié)點將環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式傳送給監(jiān)測終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時也可以使監(jiān)測終端對探測節(jié)點進(jìn)行身份校驗。

無線通信模塊的載波信號由基于DDS數(shù)字頻率載波的AD9854芯片產(chǎn)生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產(chǎn)生穩(wěn)定的30 MHz正弦波信號即可。此載波信號進(jìn)入四雙向模擬開關(guān)CD4066，再通過天線發(fā)射出去。該模擬開關(guān)可作為模擬或數(shù)字信號的多路傳輸，待傳輸?shù)哪M信號的上限頻率應(yīng)為40 MHz，各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為-50dB。

2.2 環(huán)境檢測模塊

為滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時、便捷、高性價比的要求，應(yīng)充分利用目前發(fā)展較為成熟的傳感器技術(shù)。對于SO2濃度的檢測，本系統(tǒng)采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學(xué)氣體傳感器，通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。而對于灰塵粉塵的檢測采用DSM501傳感器，它的特點是采用粒子計數(shù)原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，便于進(jìn)行數(shù)字信號處理。溫濕度的檢測采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術(shù)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應(yīng)迅速、低功耗等特點。檢測太陽光紫外線強度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應(yīng)極快、全互換性好，實現(xiàn)了測量紫外線指數(shù)（UVI）的高可靠性和精確性。對于風(fēng)速的檢測，本系統(tǒng)采用WS-01傳感器。WS-01風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；精密信號處理單元可根據(jù)場合需要輸出各種信號。

2.3 人機交互模塊

該系統(tǒng)中人機交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報警部分。MSP430F5xx作為人機交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報警子模塊連接，負(fù)責(zé)實現(xiàn)觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報警功能。當(dāng)MSP430F5xx接收到來自探測節(jié)點的環(huán)境信息時，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動觸摸液晶屏進(jìn)行相應(yīng)的字符及圖形顯示操作，同時當(dāng)用戶完成相應(yīng)的菜單選擇后，也可以接收到相應(yīng)的觸摸信號，對需要顯示的信息以及是否開啟上限報警功能進(jìn)行切換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發(fā)模塊子程序、環(huán)境參數(shù)采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅(qū)動模塊子程序以及上限報警模塊子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 理論分析

4.1 低功耗分析

在本系統(tǒng)中，MSP430F5xx單片機的供電電壓為3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz無源晶振各自產(chǎn)生的兩組時鐘，以及DCO數(shù)字振蕩器產(chǎn)生的時鐘。當(dāng)MSP430F5xx單片機在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運行時，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節(jié)電方式下的最低電流可達(dá)0.1μA。硬件上的設(shè)計確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統(tǒng)的工作時鐘和工作模式，并且大多數(shù)情況下，單片機在執(zhí)行完相關(guān)操作后立即進(jìn)入低功耗模式，以便于控制總體功耗。

要想降低功耗，一方面在于微處理器的設(shè)計，另一方面也要關(guān)注電源的管理和外圍功耗電路的接口設(shè)計。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數(shù)據(jù)通信后立即進(jìn)入睡眠模式，以盡可能地保證系統(tǒng)的低功耗。

4.2 通信協(xié)議

由于待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息比較長，而已有的通信協(xié)議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設(shè)計一套通信協(xié)議，以滿足該系統(tǒng)的通信要求。在發(fā)送信息時，首先發(fā)送一個中斷使能脈沖，隨后發(fā)送一個16位的地址碼，接收的數(shù)據(jù)為若干幀16位的數(shù)據(jù)碼。地址碼與數(shù)據(jù)碼格式分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址碼

表4 16位數(shù)據(jù)碼3

4.3 載波信號

為得到相應(yīng)的載波信號，應(yīng)通過單片機對AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進(jìn)行控制。其中，AD9854產(chǎn)生所需要的輸出信號頻率fout的計算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數(shù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于MSP430F5xx單片機的無線低功耗智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，監(jiān)測終端既負(fù)責(zé)完成人機交互又需要控制探測節(jié)點，探測節(jié)點主要是將環(huán)境檢測模塊所測得的環(huán)境信息通過無線方式傳輸給監(jiān)測終端，從而實現(xiàn)高效、實時地對周圍環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測，具有廣闊的發(fā)展前景。該系統(tǒng)很容易實現(xiàn)探測節(jié)點與監(jiān)測參數(shù)的拓展，以滿足更大范圍、更多參數(shù)的監(jiān)測要求。

基金項目

天津市高等學(xué)校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201310065037）；天津市自然科學(xué)基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻(xiàn)

[1]姜進(jìn)，等.基于MSP430單片機的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].江南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，10（1）：45-48.

[2]蔡文斌，等.基于農(nóng)業(yè)大棚低功耗無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，27（4）：549-552.

[3]魏國，等.基于數(shù)字信號處理技術(shù)的粉塵傳感器開發(fā)及應(yīng)用[A].2012年全國煉鐵生產(chǎn)技術(shù)會議暨煉鐵學(xué)術(shù)年會文集（下）[C].2012.endprint

摘 要 以超低功耗的MSP430F5xx單片機為控制核心，設(shè)計實現(xiàn)了一個低功耗的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，制作監(jiān)測終端和探測節(jié)點。整個無線傳輸系統(tǒng)采用OOK（On-Off Keying）調(diào)制方式，終端能從節(jié)點獲取相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，如紫外線輻射量、可吸入顆粒物濃度、SO2濃度、溫度、濕度、風(fēng)速，將其顯示在觸摸液晶屏上，同時用戶可以選擇上限報警功能，以完成友好的人機交互。

關(guān)鍵詞 MSP4305xx；無線傳輸；低功耗；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）01-0012-02

目前，環(huán)境日趨惡劣，越來越多的人開始關(guān)注周圍的環(huán)境，因為這直接關(guān)系到每個人的切身利益，但是由于我國人口密度較大、污染物空間分布非均勻性較強、污染監(jiān)控點布設(shè)不合理、經(jīng)濟技術(shù)條件比較落后等客觀因素，造成以現(xiàn)有方式獲取的數(shù)據(jù)不具有代表性。為解決以上問題，本文決定研究和開發(fā)具有高性價比的智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)的小型化、個人化、智能化的目標(biāo)，滿足每個人對周圍環(huán)境的知情權(quán)與監(jiān)督權(quán)。

隨著科技日新月異的變化，環(huán)境檢測由經(jīng)典的化學(xué)分析逐漸發(fā)展為傳感器檢測，無線傳輸技術(shù)也以其安裝方便、靈活性強、性價比高等特性得到了各行各業(yè)的廣泛接受。這些都為環(huán)境的無線智能監(jiān)測提供了極大的可能。

1 總體方案設(shè)計

整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)——監(jiān)測終端子系統(tǒng)和探測節(jié)點子系統(tǒng)，這兩個子系統(tǒng)各需要一個主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，該系統(tǒng)統(tǒng)一選用TI公司推出的16位超低功耗、具有精簡指令集的MSP430F5xx系列單片機，該款單片機的超低功耗的特點對于本設(shè)計很重要。在信號調(diào)制方面，鑒于低功耗、方便易行的考慮，采用了OOK調(diào)制方案。為了實現(xiàn)友好的人機交互，采用了電容式觸摸液晶屏，以充分發(fā)揮其操作新奇、不易誤讀、耐用度高的優(yōu)勢。無線通信是基于AD公司的高性能DDS芯片——AD9854，與四雙向模擬開關(guān)IC——CD4066，由MSP430單片機進(jìn)行控制。最后確定通信協(xié)議方案，設(shè)計思想是由終端發(fā)出一個同步傳輸?shù)男盘?，?jié)點接收并與自己的“身份”進(jìn)行校對，驗證完畢后，探測節(jié)點將檢測到的環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式向監(jiān)測終端發(fā)送。通過相關(guān)的選擇與設(shè)計，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 無線通信模塊

該系統(tǒng)設(shè)計主要包括監(jiān)測終端信息處理和探測節(jié)點信息采集，兩者之間信息的交互采用無線通信的方式。該無線通信模塊使得探測節(jié)點將環(huán)境信息以數(shù)據(jù)幀的形式傳送給監(jiān)測終端，以便將其顯示在觸摸液晶屏上，同時也可以使監(jiān)測終端對探測節(jié)點進(jìn)行身份校驗。

無線通信模塊的載波信號由基于DDS數(shù)字頻率載波的AD9854芯片產(chǎn)生，其輸出頻率范圍為0-120 MHz，綜合各方面因素，只需使其產(chǎn)生穩(wěn)定的30 MHz正弦波信號即可。此載波信號進(jìn)入四雙向模擬開關(guān)CD4066，再通過天線發(fā)射出去。該模擬開關(guān)可作為模擬或數(shù)字信號的多路傳輸，待傳輸?shù)哪M信號的上限頻率應(yīng)為40 MHz，各開關(guān)間的串?dāng)_很小，典型值為-50dB。

2.2 環(huán)境檢測模塊

為滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時、便捷、高性價比的要求，應(yīng)充分利用目前發(fā)展較為成熟的傳感器技術(shù)。對于SO2濃度的檢測，本系統(tǒng)采用3SF CiTicel傳感器，它是一種新型的定電位電解化學(xué)氣體傳感器，通過氧化或還原反應(yīng)將濃度轉(zhuǎn)化為電信號，通過檢測電信號的大小得到相應(yīng)氣體的濃度。而對于灰塵粉塵的檢測采用DSM501傳感器，它的特點是采用粒子計數(shù)原理，PWM脈寬調(diào)制輸出，便于進(jìn)行數(shù)字信號處理。溫濕度的檢測采用SHT15傳感器，SHT15是基于CMOSens技術(shù)的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器，具有高精度、高集成度、反應(yīng)迅速、低功耗等特點。檢測太陽光紫外線強度總量用到UVM-30傳感器模塊，它響應(yīng)極快、全互換性好，實現(xiàn)了測量紫外線指數(shù)（UVI）的高可靠性和精確性。對于風(fēng)速的檢測，本系統(tǒng)采用WS-01傳感器。WS-01風(fēng)速傳感器采用傳統(tǒng)三風(fēng)杯結(jié)構(gòu)，風(fēng)杯選用碳纖維材料，強度高，啟動好；精密信號處理單元可根據(jù)場合需要輸出各種信號。

2.3 人機交互模塊

該系統(tǒng)中人機交互模塊包括微控制器部分（MSP430F5xx單片機）、觸摸顯示部分（觸摸液晶屏）、上限報警部分。MSP430F5xx作為人機交互模塊的主控芯片，與觸摸液晶顯示子模塊、上限報警子模塊連接，負(fù)責(zé)實現(xiàn)觸摸液晶屏的讀入與顯示、上限報警功能。當(dāng)MSP430F5xx接收到來自探測節(jié)點的環(huán)境信息時，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，驅(qū)動觸摸液晶屏進(jìn)行相應(yīng)的字符及圖形顯示操作，同時當(dāng)用戶完成相應(yīng)的菜單選擇后，也可以接收到相應(yīng)的觸摸信號，對需要顯示的信息以及是否開啟上限報警功能進(jìn)行切換。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用層次化、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括基于MSP430F5xx的無線收發(fā)模塊子程序、環(huán)境參數(shù)采集模塊子程序、觸摸液晶屏硬件驅(qū)動模塊子程序以及上限報警模塊子程序等。軟件流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

4 理論分析

4.1 低功耗分析

在本系統(tǒng)中，MSP430F5xx單片機的供電電壓為3.3 V，并提供32.768 kHz和14.7456 MHz無源晶振各自產(chǎn)生的兩組時鐘，以及DCO數(shù)字振蕩器產(chǎn)生的時鐘。當(dāng)MSP430F5xx單片機在3.3 V供電電壓下，以1 MHz的速度運行時，典型的電流值約為210 μA。此外，MSP430單片機還具有5種低功耗模式LPM0～LPM 4，節(jié)電方式下的最低電流可達(dá)0.1μA。硬件上的設(shè)計確定之后，在不同的情況下將通過軟件控制系統(tǒng)的工作時鐘和工作模式，并且大多數(shù)情況下，單片機在執(zhí)行完相關(guān)操作后立即進(jìn)入低功耗模式，以便于控制總體功耗。

要想降低功耗，一方面在于微處理器的設(shè)計，另一方面也要關(guān)注電源的管理和外圍功耗電路的接口設(shè)計。例如，無線通信模塊采用9600bit/s的波特率， 傳輸速度快， 完成數(shù)據(jù)通信后立即進(jìn)入睡眠模式，以盡可能地保證系統(tǒng)的低功耗。

4.2 通信協(xié)議

由于待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息比較長，而已有的通信協(xié)議又無法完全滿足要求，因此本文將另行設(shè)計一套通信協(xié)議，以滿足該系統(tǒng)的通信要求。在發(fā)送信息時，首先發(fā)送一個中斷使能脈沖，隨后發(fā)送一個16位的地址碼，接收的數(shù)據(jù)為若干幀16位的數(shù)據(jù)碼。地址碼與數(shù)據(jù)碼格式分別如表1、表2、表3、表4所示。

表1 16位地址碼

表4 16位數(shù)據(jù)碼3

4.3 載波信號

為得到相應(yīng)的載波信號，應(yīng)通過單片機對AD9854芯片的頻率控制字（FSW）進(jìn)行控制。其中，AD9854產(chǎn)生所需要的輸出信號頻率fout的計算公式是FSW=（2N*fout）/fc，式中的N=32為AD9854相位全加器位數(shù)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于MSP430F5xx單片機的無線低功耗智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，監(jiān)測終端既負(fù)責(zé)完成人機交互又需要控制探測節(jié)點，探測節(jié)點主要是將環(huán)境檢測模塊所測得的環(huán)境信息通過無線方式傳輸給監(jiān)測終端，從而實現(xiàn)高效、實時地對周圍環(huán)境進(jìn)行智能監(jiān)測，具有廣闊的發(fā)展前景。該系統(tǒng)很容易實現(xiàn)探測節(jié)點與監(jiān)測參數(shù)的拓展，以滿足更大范圍、更多參數(shù)的監(jiān)測要求。

基金項目

天津市高等學(xué)校國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃（201310065037）；天津市自然科學(xué)基金（13JCYBJC15800）。

參考文獻(xiàn)

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