2系統硬件設計

　　2.1接有CC2530無線模塊的MSP430F149電路

　　MSP430系列單片機是TI公司1996年開始推向市場的一種16位超低功耗的混合信號處理器。以MSP430F149為例，其主要特點有：1）超低功耗。待機電流小于1μA，在RAM數據保持方式時僅耗電0.1μA，活動模式時耗電250μA.在系統中共有1種活動模式（AM）和5種低功耗模式（LP M0-LPM4）。2）強大的處理能力。MSP430F149采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集結構，1個時鐘周期就可以執行1條指令。3）高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊。內部集成看門狗定時器、12位ADC、DMA控制器、基本定時器和串行通信（UART、IIC、SPI）等。

　　CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存8KB RAM和許多其他的強大功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。CC2530結合了TI公司業界領先的ZigBee協議棧（Z-StackTM），提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。

　　MSP430F149與無線模塊CC2530的電路連接如圖2所示。

　　圖2 MSP430F149與CC2530電路連接原理圖

　　此模塊設計利用了MSP430F149的超低功耗特點，通過串行通信UART模式與ZigBee相連接。當CC2530沒有進行接收數據時，為了節省能源，MSP430F149和CC2530均處于休眠狀態；當定時時間到時，MSP430F149和CC2530從睡眠喚醒，CC2530接收由路由器節點的CC2530傳送來的數據，并將數據通過串口傳輸給MSP430F149單片機，單片機對接收的數據進行分析處理之后，發送給上位機存儲顯示；之后兩者又同時進入休眠狀態，等待下一次喚醒時繼續接收數據，如此循環。

　　2.2 MSP430F149的USB轉串口電路

　　MSP430F149的USB轉串口電路如圖3所示。

　　圖3 MSP430F149的USB轉串口電路

　　MSP430F149的USB轉串口電路主要用于電路初期的測試、與上位機間的數據傳輸。串口芯片采用Silicon公司推出的USB接口與RS232接口轉換器CP2102.CP2102是一款高度集成的USB—UART橋接器，提供一個使用最小化元件和PCB空間來實現RS232轉換USB的簡便解決方案，包含了USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的異步串行數據總線。其中USB選用目前比較通用Micro-USB，在兩根數據線D+和D-上采用SP0503BAHT保護，用于抑制靜電阻抗和其它瞬態電壓，幫助保護數據、信號或者控制線路的模擬輸入。

　　2.3接有傳感器的CC2530無線模塊電路

　　接有傳感器的CC2530的無線模塊電路如圖4所示。此模塊設計利用CC2530連接溫濕度傳感器AM2301、二氧化碳傳感器TGS4161和光照傳感器BH1750，實現對溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度的測量。由于溫室大棚內一天之中的環境變化不是特別明顯，通過實際考察，推算出各個環境變量的測量時間間隔。溫濕度的測量為10分鐘一次，二氧化碳的測量為2小時一次，光照強度為30分鐘一次，其它時間模塊均處于低功耗的睡眠狀態。當10分鐘定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的溫濕度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；30分鐘定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的光照強度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；2小時定時時間到時，模塊從睡眠喚醒，對溫室大棚內的光照強度度進行采樣測量，將數據發送至CC2530路由節點，發送成功后繼續進入睡眠狀態；這樣就完成了對溫室大棚內3種環境要素的測量。

　　圖4 接有傳感器的CC2530電路圖

　　AM2301數字溫濕度傳感器采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。AM2301的供電電壓為5 V，為4針單排引腳封裝。傳感器上電之后，要等待1 s以越過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令。AM2301的引腳2為數據線DATA，用于CC2530與AM2301之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，測量精度分別為溫度16bit，濕度16bit.

　　TGS4161是由半導體氣體傳感器制造商Figaro幾年前推出的一款長期穩定工作的二氧化碳傳感器，供電電壓為5 V，它由置于襯墊上的對二氧化碳敏感的固態電解質構成，并配有加熱器，以減小環境溫度改變對測量的影響；TGS4161非常脆弱，一個持續流經高阻抗傳感器核心的電流就會燒毀它，所以設計中選用TLC271對傳感器進行保護。傳感器輸出電平端通過TLC271與CC2530的AD端口P0_0相連接。

　　BH1750是一種不區分光源的數字型環境光強度傳感器，供電電壓為3.3 V，采用兩線式串行總線接口的集成電路，根據收集的光線強度數據進行環境監測，具有1—65535lx（lx為光照強度單位）的高分辨率，可支持較大范圍的光照強度變化。設計的模塊中，BH1750的SCL、SDA引腳分別與CC2530的P1_4和P1_5相連接。

　　2.4鋰電池供電電路

　　考慮到在溫室大棚內使用CC2530需要在無人值守的情況下工作，連接傳感器的CC2530以及CC2530路由節點均使用鋰電池供電。鋰電池供電電路如圖5所示，左邊部分為鋰電池轉3.3 V電路，右邊部分為鋰電池轉5 V電路，轉換芯片選用LTC3440.

　　圖5 鋰電池供電電路

　　本設計采用市面上最常用的鋰電池作為電源，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3.6 V.鋰離子電池的放電曲線平坦，可以保證CC2530模塊收發數據時具有更好的線性特征。Linear Teehnology公司的LTC3440是一種高效率、固定頻率、降壓-升壓型的DC/DC轉換器，能夠用單個電感器調節輸出電壓，使其高于、低于或等于輸入電壓，其輸入和輸出的電壓范圍均為2.5～5.5 V.LTC3440在所有的工作模式下都具備連續傳送功能，非常適用于延長單節鋰電池或者鎳氫電池的工作時間。其中鋰電池轉3.3 V電壓用來給CC2530無線模塊、BH1750傳感器供電，鋰電池轉5 V用來給TGS4161傳感器和AM2301傳感器供電，如果接有CC2530模塊的MSP430F149模塊不與上位機間進行通訊，也可采用鋰電池轉3.3 V供電。