基于单片机的温度监控系统设计

2009年4月第28卷　第4期

基于单片机的温度监控系统设计

谭　林

(电子科技大学电子工程学院　成都　610054)

摘　要:介绍一种无线温度自动监控系统,它是以MSP430单片机为核心,以CC2500收发器为射频模块并辅有一些外部元件,采用C语言编写程序,应用SimpliciTI无线通信协议组成一个小型的射频网络。工作时,各终端节点每秒自动唤醒,采集附近温度和电池电压并将数据通过射频网络送至控制节点,控制节点管理各终端并经串口发送数据至电脑屏幕显示,由此实现无线温度自动监控功能。并给出系统软硬件设计。

关键词:单片机;无线温度自动监控系统;通信协议;自动监控;编程仿真中图分类号:TP368.1　　文献标识码:A

Wirelesstemperaturemonitorbasedonmicrocontroller

TanLin

(SchoolofElectronicsEngineering,UniversityofElectronicScienceTechnologyofChina,Chengdu610054,China)

Abstract:ThispaperintroducesaWirelesstemperaturemonitorsystem,takingMSP430microcontrollerashardwarecontrolcore,CC2500singlechipastransceiverandusingsomeperipheralelements.ProgramiscompiledinClanguagetoactasexpected.BasedonSimpliciTIprotocol,asmallRFnetworkcanbemade.Enddeviceswakeupevery1stosampletemperaturenearbyandbatteryinformation,thensendthesedatatoaccesspointthroughRFnetwork.Accesspointman2ageseveryenddevicesandsendsdatatoPCtobedisplayed.Thehardwareandsoftwareofthesystemaregivenindetail.Keywords:microcontroller;wirelesstemperaturemonitor;communicationprotocol;auto2monitoring;programmesimulation

0　引　言

目前我国许多大棚、仓库等需要温度控制的单位仍采

用测温仪器与人工抄录、管理相结合的传统方法,这不仅效率低,还易出错[1]。本文采用CC2500射频模块,以MSP430中ADC10的内嵌温度传感器采集温度,多个MSP430单片机构成无线测温网络,彻底摆脱了传统的人工抄录方法。由于使用简单的网络协议和低功耗器件,各节点电池寿命比以往同类系统得到很大延长。该设计具有简单可靠,灵活方便的特点。

于开放的ISM频段。设计采用USB接口调试,两GPIO引脚分别接红绿灯控制指示灯,使用一个外部中断按键。

1　硬件与协议

该系统由控制中心、温度采集节点路由节点和PC组成(图1)。控制中心通过串口与PC相连,通过PC机软件显示和查看信息,各节点采用电池供电。控制中心、温度采集节点和路由节点均用高集成超低功耗单片机,射频部分采用低功耗CC2500无线收发器,工作频率2.4GHz,位

　作者简介:谭林,本科,主要研究方向为SOC设计技术、无线通信。

图1　无线温度自动监控系统组成

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1.1　系统控制

研究与开发

从系统设计的功能需求及成本考虑,采用MSP430超低功耗单片机作为系统控制芯片。MSP430片内集成了不同的功能模块,可适应不同应用层次的需求。MSP430提供了5种低功耗模式,可最大限度的延长有源设备的电池寿命。MSP430的CPU采用16位精简指令集[2],并集成了16位寄存器和常数发生器,其它的数字可控震荡器(DCO)可在1μs内由低功耗模式切换到活动模式。1.2　无线收发器

射频通信采用CC2500低功耗无线收发器,其集成了高度可配置的基带调制解调器,支持数种调制模式,通过SmartStudio软件配置CC2500各特殊寄存器以调整其频率、频道、调制模式,可调数据率最高至500kBaud。CC2500还提供广泛的硬件支持如包处理、数据缓冲、清晰信道评估、连接质量指示等。通过SPI接口可控制[3]CC2500运行参数和64字节收发FIFO。同时,该系统CC2500与MSP430配合使用只需少量外围器件。1.3　通信协议

该系统使用SimpliciTI无线通信协议[4],其特点是能够简化实施工作,尽可能降低微控制器的资源占用,从而降低了低功耗RF网络的系统成本。SimpliciTI支持对等通信和星型拓扑结构,适用于有源低速有限通信节点的低功耗RF网络。SimpliciTI协议分为MRFI(minimalRFinterface)、NWK、nwkapplications、customerapplications四层,通过其自身定义的一系列API函数调用来实现用户程序应用。

图2　控制中心节点流程图

2.1.2　sPeerFrameSem分支

2　软件程序设计

无线温度自动监控系统通过装载不同的固件将目标

板分为温度采集节点ED、控制中心节点AP和路由节点RE。其中,AP负责管理网络并隔一定时间从一个或多个ED接收数据。网络中ED大部分时间处于低功耗LPM3状态,每隔一设定时间自动唤醒采集其附近温度,测量电池电压并将数据送往AP。AP从任意ED收到数据后均通过串口送往PC显示。2.1　控制中心节点AP

控制中心节点AP初始化完成后每隔设定时间用ADC10内部温度传感器测量附近温度送给PC,同时持续监听有没有新的ED加入网络或者有没有新的包从ED发出。AP流程图(图2)中BSP_Init()函数初始化了目标板的硬件如LEDs、按键等接口[5]。MCU_Init()函数初始化MSP430,DCO和MCLK设为8MHz,TimerB每隔1min触发一次中断,串口波特率9600。硬件初始化完成后,程序调用SMPL_Init(sCB)函数初始化收发器和SimpliciTI网络协议。2.1.1　sJoinSem分支

当ED调用SMPL_Init()准备加入网络时,SimpliciTI发出连接ID为零的加入帧,AP通过sCB函数设置sJoinSem旗,AP初始化SMPL_LinkListen()函数进行与ED的连接。

当AP收到来自ED的数据帧时通过sCB函数设置sPeerFrameSem旗,而后定义缓冲区储存当前的帧,再查询输入队列信息直到处理完所有等待的帧。2.1.3　sSelfMeasureSem分支

AP在设定时间段触发中断设置sSelfMeasureSem旗,通过ADC10采集温度和电压。2.2　温度采集节点ED

ED运行函数SMPL_Init()加入网络并产生4字节随机地址,地址存入flash存储器并用API函数写入设备,加入AP网络时检查接入令牌是否匹配,交换诸如连接令牌等网络参数。当ED加入网络并与AP成功连接时,ED进入循环每段时间唤醒采集温度和电压。2.3　路由节点RE

路由节点RE将数据的通信距离延长,起到扩展每一个设备通信距离的作用。RE接收的数据有效载荷长度不能大于范围扩展定义的最大有效载荷长度。

3　仿真与结果

采用绘制电路图软件PROTEL和用于编写程序的IAREmbeddedWorkbenchforMSP430实现系统设计的仿真。图3为PROTEL仿真环境下MSP430微控制器硬件电路图。在IAREmbeddedWorkbench中创建一个新项目,然后加入C源程序[6],其中SimpliciTI协议由TI以源代码形式提供。调试后,结果和设计目标完全吻合。上电后,显示器显示问候语,接着控制中心节点APLEDs闪烁,初始化完毕后,AP每隔1s用ADC10内部温度传感器开始测量附近温度并将数据传送给PC。同时,AP持续监听有没有终端节点加入或已加入的终端节点有没有发

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图3　目标板系统控制电路

来新的数据。AP通过两种颜色的指示灯表示正在网络中进行的交换,红灯亮表示AP将自身测量数据发送给PC,绿灯亮表示AP收到了来自终端节点的数据。当终端ED加入网络成功后,其每间隔1s终端采样其附近温度并发送到控制中心,随后进入LPM3休眠模式。实验路由节点功能时,应保证终端不能与控制中心直接通信。PC显示器显示输出结果如下:

Node:AP,Temp:26.2C,Battery:3V,RE:noNode为节点类型,Temp为节点温度,Battery为节点

参考文献

[1]　汤绮婷.基于射频模块nRF905的粮库无线温湿度监

控系统[J].电子产品世界,2007,7:1022103.

[2]　沈建华,杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机

原理与实践[M].北京航空航天大学出版社,2008.

[3]　Ti.CC2500SingleChipLowCostLowPowerRF

Transceiver[EB/OL].(2006)http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc2500.html.

[4]　FriedmanL.SimpliciTIdevelopersnotes[EB/OL].

(20082821)http://focus.ti.com.cn/cn/docs/toolsw/folders/print/simpliciti.html?DCMP=hpa_rf_general&HQS=Other+OT+simpliciti.

[5]　魏小龙.单片机接口技术及系统设计实例[M].北京:

电池剩余电量,RE表示是否经中继。

4　结束语

该设计将温度管理智能化、无线化,减少了布线的困

难和维护难度,降低了人工成本。只要一个控制中心、若干个节点设备,便能在大范围内实时监控情况。系统采用低功耗设计,用户可根据实际需要设定采集节点的休眠时间,最大程度延长电池寿命,节省了资源,在农业、仓储等方面有很强的实用价值。

北京航空航天大学出版社,2002.

[6]　马忠梅,张凯,籍顺心,等.单片机的C语言应用程序

设计[M].第3版.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

加大3G仪器投入,决胜通信设备制造

　　在全球经济危机愈演愈烈的环境中,3G通信牌照的发放为通信设备制造业带来了重大利好。为了帮助通信设备制

造商把握机遇赢得转机,北京东方中科集成科技有限公司(以下简称东方集成)继续推动其成功的租赁模式,加大了包括3G研发、生产以及工程安装等环节所需的测试仪器仪表的投入,帮助客户在解决了必须的测试条件的同时,也在目前恶劣的宏观环境下,节省宝贵的资金,以协助客户抵御金融、市场与技术风险,最终度过目前的经济寒冬。

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