MSP430F149的无线温湿度环境实时监测系统

摘要：介绍了一种无线温湿度实时监测系统。系统以低功耗单片机MSP430F149为主控制器，选用高精度低功耗温湿度传感器SHT21测量环境的温湿度，并采用高精度实时时钟芯片PCF8563为系统提供时间基准。系统根据实际需要设置温湿度的阈值，当所在环境的温湿度超出该阈值时，系统会发生报警，并将当前所处环境的时间、温湿度值和相关提示信息通过GPRS传输到移动终端。系统实现了对环境温湿度的无线实时监测，可适用于多种环境中。

关键词：MSP430F149;SHT21;GPRS;PCF8563

引言

随着物联网技术的快速发展和各种大数据中心的建立，各种数据监测系统特别是无线数据监测系统应运而生，其中，无线温湿度监测系统就是一种非常具有代表性的无线监测系统。虽然，无线温湿度监测系统结构和功能都很简单，但是，其在工农业生产和科研工作中，具有很高的使用价值。目前，无线温湿度监测系统主要由中心控制单元、温湿度采集单元和无线数据传输单元构成。其中，中心控制单元大都采用8位单片机作为主控制器，如51单片机、AVR单片机、PIC单片机等;温湿度采集单元一般采用湿敏电阻和热敏电阻，或者采用集成温湿度传感器，如DS18B20、DTH11、AM2301等;无线数据传输单元多采用ZigBee无线传感网络。

这种系统成本较低、性能稳定，能够满足人们的基本需求。但是随着社会和科技的快速发展，这种系统在数据处理速度、数据精确度、数据监测的实时性和系统功耗方面已经逐渐不能满足人们的需求。如今，随着大规模集成电路的快速发展，各种处理速度更快、功耗更低的单片机(如MSP430F149)在微控制系统中得到广泛使用，测量范围更宽、精度更高、功耗更低的集成温湿度传感器(如SHT21)越来越受到人们的青睐。此外，随着移动通信技术的不断成熟，特别是GPRS的问世，使数据的实时远程传输变得简单可靠。本文阐述了基于低功耗单片机MSP43 0F149、高精度低功耗温湿度传感器SHT21和GPRS的无线温湿度实时监测系统的结构、工作原理和使用情况。

1 系统结构

系统主要由主控制器、时钟单元、报警单元、温湿度测量单元和数据传输单元5部分构成。其系统结构如图1所示。

1.1 主控制器

系统选用低功耗单片机MSP430F149作为主控制器。MSP430F149单片机是TI公司推出的一款16位微处理器，支持1.8～3.6 V电压供电，全速运行时的电流仅为280μA，休眠状态微处理器的电流只有0.1μA;支持5种省电模式，同时具有很快的唤醒速度，唤醒时间仅为6 μs;片内集成12位A/D转换器、2种定时器、2个UART通信端口以及比较器。MSP430F149单片机采用了精简指令集(RISC)结构，只有简洁的27条指令，大量的指令均为模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，这些内核指令均为单周期指令，功能强、运行速度快;采用Flash型程序存储器和JTAG技术，这就使得开发工具变得简便且价格相对低廉，还能够实现在线编程。MSP430F149单片机的运行环境温度范围为-40～+85℃。

与传统8位微处理器相比，MSP430F149单片机功耗低得多，处理能力强大得多，开发环境更加方便高效。此外，MSP430F149单片机还具有高性能模拟技术和更为丰富的片上外围模块工作稳定。用MSP430F149单片机作为主控制器，对整个系统的功耗和处理速度都有很大的改善，而且大大缩短了开发周期。

1.2 时钟单元

时钟单元的主要功能是计时，为整个系统工作提供一个系统时间，系统采用时钟/日历芯片PCF8563计时。PCF8563是Philips公司推出的一款工业级实时时钟/日历芯片，含I2C总线接口，功耗极低，具有报警功能、定时功能、时钟输出功能和中断输出功能，能够完成各种复杂的定时任务。该系统主要用到PCF8563的时钟输出功能。

1.3 温湿度测量单元

温湿度测量单元的功能是测量系统所在环境的温湿度。系统采用数字温湿度传感器SHT21测量温湿度。SHT21是Sensirion公司生产的一款高性能、高精度的数字温湿度传感器，包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。SHT21的供电电压为3.3 V，工作温度范围为-40～+125℃;温度测量范围为-40～+125℃，灵敏度为0.01℃，测量精度为±0.3℃(25～+42℃);湿度灵敏度为0.04%RH，测量精度为±2%RH(20%～80%RH)。正常工作情况下，SHT21的功耗只有0.9μW。

SHT21是命令触发型传感器，当主控制器向其发送0xF3时，触发其测量温度，而当主控制器向其发送0xF5时，触发其测量湿度。SHT21输出的是经过标定的数字信号，标准I2C总线格式。主控制器可直接通过I2C总线向SHT21发送命令或者从SHT21读取数据，操作比较方便。

与传统的温湿度传