系统硬件设计 - 基于MSP430和CC2530的温室大棚数据采集系统设计

　　2系统硬件设计

　　2.1接有CC2530无线模块的MSP430F149电路

　　MSP430系列单片机是TI公司1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器。以MSP430F149为例，其主要特点有：1）超低功耗。待机电流小于1μA，在RAM数据保持方式时仅耗电0.1μA，活动模式时耗电250μA.在系统中共有1种活动模式（AM）和5种低功耗模式（LP M0-LPM4）。2）强大的处理能力。MSP430F149采用了目前流行的、颇受学术界好评的精简指令集结构，1个时钟周期就可以执行1条指令。3）高性能模拟技术及丰富的片上外围模块。内部集成看门狗定时器、12位ADC、DMA控制器、基本定时器和串行通信（UART、IIC、SPI）等。

　　CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存8KB RAM和许多其他的强大功能。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。CC2530结合了TI公司业界领先的ZigBee协议栈（Z-StackTM），提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。

　　MSP430F149与无线模块CC2530的电路连接如图2所示。

　　图2 MSP430F149与CC2530电路连接原理图

　　此模块设计利用了MSP430F149的超低功耗特点，通过串行通信UART模式与ZigBee相连接。当CC2530没有进行接收数据时，为了节省能源，MSP430F149和CC2530均处于休眠状态；当定时时间到时，MSP430F149和CC2530从睡眠唤醒，CC2530接收由路由器节点的CC2530传送来的数据，并将数据通过串口传输给MSP430F149单片机，单片机对接收的数据进行分析处理之后，发送给上位机存储显示；之后两者又同时进入休眠状态，等待下一次唤醒时继续接收数据，如此循环。

　　2.2 MSP430F149的USB转串口电路

　　MSP430F149的USB转串口电路如图3所示。

　　图3 MSP430F149的USB转串口电路

　　MSP430F149的USB转串口电路主要用于电路初期的测试、与上位机间的数据传输。串口芯片采用Silicon公司推出的USB接口与RS232接口转换器CP2102.CP2102是一款高度集成的USB—UART桥接器，提供一个使用最小化元件和PCB空间来实现RS232转换USB的简便解决方案，包含了USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的异步串行数据总线。其中USB选用目前比较通用Micro-USB，在两根数据线D+和D-上采用SP0503BAHT保护，用于抑制静电阻抗和其它瞬态电压，帮助保护数据、信号或者控制线路的模拟输入。

　　2.3接有传感器的CC2530无线模块电路

　　接有传感器的CC2530的无线模块电路如图4所示。此模块设计利用CC2530连接温湿度传感器AM2301、二氧化碳传感器TGS4161和光照传感器BH1750，实现对温湿度、二氧化碳浓度和光照强度的测量。由于温室大棚内一天之中的环境变化不是特别明显，通过实际考察，推算出各个环境变量的测量时间间隔。温湿度的测量为10分钟一次，二氧化碳的测量为2小时一次，光照强度为30分钟一次，其它时间模块均处于低功耗的睡眠状态。当10分钟定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的温湿度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；30分钟定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的光照强度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；2小时定时时间到时，模块从睡眠唤醒，对温室大棚内的光照强度度进行采样测量，将数据发送至CC2530路由节点，发送成功后继续进入睡眠状态；这样就完成了对温室大棚内3种环境要素的测量。

　　图4 接有传感器的CC2530电路图

　　AM2301数字温湿度传感器采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。AM2301的供电电压为5 V，为4针单排引脚封装。传感器上电之后，要等待1 s以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。AM2301的引脚2为数据线DATA，用于CC2530与AM2301之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，测量精度分别为温度16bit，湿度16bit.

　　TGS4161是由半导体气体传感器制造商Figaro几年前推出的一款长期稳定工作的二氧化碳传感器，供电电压为5 V，它由置于衬垫上的对二氧化碳敏感的固态电解质构成，并配有加热器，以减小环境温度改变对测量的影响；TGS4161非常脆弱，一个持续流经高阻抗传感器核心的电流就会烧毁它，所以设计中选用TLC271对传感器进行保护。传感器输出电平端通过TLC271与CC2530的AD端口P0_0相连接。

　　BH1750是一种不区分光源的数字型环境光强度传感器，供电电压为3.3 V，采用两线式串行总线接口的集成电路，根据收集的光线强度数据进行环境监测，具有1—65535lx（lx为光照强度单位）的高分辨率，可支持较大范围的光照强度变化。设计的模块中，BH1750的SCL、SDA引脚分别与CC2530的P1_4和P1_5相连接。

　　2.4锂电池供电电路

　　考虑到在温室大棚内使用CC2530需要在无人值守的情况下工作，连接传感器的CC2530以及CC2530路由节点均使用锂电池供电。锂电池供电电路如图5所示，左边部分为锂电池转3.3 V电路，右边部分为锂电池转5 V电路，转换芯片选用LTC3440.

　　图5 锂电池供电电路

　　本设计采用市面上最常用的锂电池作为电源，可充电的锂离子电池的额定电压为3.6 V.锂离子电池的放电曲线平坦，可以保证CC2530模块收发数据时具有更好的线性特征。Linear Teehnology公司的LTC3440是一种高效率、固定频率、降压-升压型的DC/DC转换器，能够用单个电感器调节输出电压，使其高于、低于或等于输入电压，其输入和输出的电压范围均为2.5～5.5 V.LTC3440在所有的工作模式下都具备连续传送功能，非常适用于延长单节锂电池或者镍氢电池的工作时间。其中锂电池转3.3 V电压用来给CC2530无线模块、BH1750传感器供电，锂电池转5 V用来给TGS4161传感器和AM2301传感器供电，如果接有CC2530模块的MSP430F149模块不与上位机间进行通讯，也可采用锂电池转3.3 V供电。