在低功耗温室控制系统方案中，使用的是超低功耗32位EFM32系列MCU作为主控芯片，其带有LEM，睡眠功耗为900nA，运行功耗仅131uA/MHz。高集成度和小封装使系统实现了小型化设计，是对于功耗敏感或者电池供电类应用的最佳解决方案。

　　温室大棚是用于蔬菜、瓜果、花卉的保护设施，利用温室的气候效应进行农业生产，起到避雨栽培、旱涝保收、反季节调控等作用。随着互联网技术的普及应用，智能温室大棚可以运用互联网技术达到改善蔬菜品质、提高生长速度的目的。大规模的温室大棚，利用人工来调控温室内的环境条件，需要大量的工期和时间。如果应用互联网技术，只需要坐在电脑前点击鼠标，就能在最短的时间里完成人工操作，速度非常快，不存在任何风险。因此，互联网智能温室大棚的未来发展前景十分广阔。

　　此方案中，现场监测系统为了节省能源和方便使用而采用了电池供电，因此低功耗是系统的设计关键，要保证电池尽可能长时间使用。因此，我们选用Silicon Labs 低功耗系列的EFM32HG210F64-QFN32芯片作为主控芯片，EFM32系列的32位MCU最大的特点就是帮助用户节省功耗。在芯片设计中，其通过五种功耗模式来降低系统功耗，而且睡眠模式时可在不启动CPU内核的情况下，实现外设开启和外设之间通过映射功能进行通讯。

【EFM32HG210F64-QFN32】

具有 EFM32HG210F64-QFN32 ARM Cortex-M0+ USB 的 32 位微控制器

EFM32HG210F64-QFN32 是具有 USB 的基于 ARM Cortex-M0+ 的微控制器 (MCU)，速度可达 25 MHz，是 Happy Gecko 节能设备系列的一部分。建立在低能耗平台之上，该低能耗平台包括创新型低能耗技术、快速唤醒时间和最适合能源敏感应用的节能模式 EFM32HG210F64-QFN32。另外，本设备包括 64 kB 闪存、8 B RAM、24 数字 I/O 引脚、3 x 16 位定时器和多种通信接口。

规格摘要

MCU 内核：ARM

Cortex-M0+ MHz：25

闪存 (kB)：64

RAM (kB)：8

I²S：1

SPI：2

I²C：1

UART：3

USART：2

USB：否

数字 I/0 引脚：24

ADC：12 位、4 通道、1 Msps

DAC：—

LCD：否

封装类型：QFN32

封装尺寸：6 × 6

EFM32 Happy Gecko Family EFM32HG Data Sheet

The EFM32 Happy Gecko MCUs are the world’s most energyfriendly microcontrollers.

The EFM32HG offers unmatched performance and ultra low power consumption in both active and sleep modes. EFM32HG devices consume as little as 0.6 μA in Stop mode and 127 μA/MHz in Run mode. It also features autonomous peripherals, high overall chip and analog integration, and the performance of the industry standard 32-bit ARM CortexM0+ processor, making it perfect for battery-powered systems and systems with highperformance, low-energy requirements.

EFM32HG applications include the following:

• Energy, gas, water and smart metering

• Health and fitness applications

• Smart accessories

• Alarm and security systems

• Industrial and home automation

KEY FEATURES

• ARM Cortex-M0+ at 25 MHz

• Ultra low power operation

• 0.6 μA current in Stop (EM3), with brown-out detection and RAM retention

• 51 μA/MHz in EM1

• 127 μA/MHz in Run mode (EM0)

• Fast wake-up time of 2 µs

• Hardware cryptography (AES)

• Up to 64 kB of Flash and 8 kB of RAM

Feature List

• ARM Cortex-M0+ CPU platform

• High Performance 32-bit processor @ up to 25 MHz

• Wake-up Interrupt Controller

• Flexible Energy Management System

• 20 nA @ 3 V Shutoff Mode

• 0.6 µA @ 3 V Stop Mode, including Power-on Reset, Brown-out Detector, RAM and CPU retention

• 0.9 µA @ 3 V Deep Sleep Mode, including RTC with 32.768 kHz oscillator, Power-on Reset, Brown-out Detector, RAM and CPU

retention

• 51 µA/MHz @ 3 V Sleep Mode

• 127 µA/MHz @ 3 V Run Mode, with code executed from flash

• 64/32 kB Flash

• 8/4 kB RAM

• Up to 37 General Purpose I/O pins

• Configurable push-pull, open-drain, pull-up/down, input filter, drive strength

• Configurable peripheral I/O locations

• Up to 16 asynchronous external interrupts

• Output state retention and wake-up from Shutoff Mode

• 6 Channel DMA Controller

• 6 Channel Peripheral Reflex System (PRS) for autonomous inter-peripheral signaling

• Hardware AES with 128-bit keys in 54 cycles

• Timers/Counters

• 3× 16-bit Timer/Counter

• 3×3 Compare/Capture/PWM channels

• Dead-Time Insertion on TIMER0

• 1× 24-bit Real-Time Counter

• 1× 16-bit Pulse Counter

• Watchdog Timer with dedicated RC oscillator @ 50 nA

• Communication interfaces

• Up to 2× Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter

• UART/SPI/SmartCard (ISO 7816)/IrDA/I2S

• Triple buffered full/half-duplex operation

• Low Energy UART

• Autonomous operation with DMA in Deep Sleep Mode

• I2C Interface with SMBus support

• Address recognition in Stop Mode

• Low Energy Universal Serial Bus (USB) Device

• Fully USB 2.0 compliant

• On-chip PHY and embedded 5V to 3.3V regulator

• Crystal-free operation

• Ultra low power precision analog peripherals

• 12-bit 1 Msamples/s Analog-to-Digital Converter

• 4 single-ended channels/2 differential channels

• On-chip temperature sensor

• Current Digital-to-Analog Converter

• Selectable current range between 0.05 and 64 µA

• 1× Analog Comparator

• Capacitive sensing with up to 5 inputs

• Supply Voltage Comparator

• Ultra efficient Power-on Reset and Brown-Out Detector

• Debug Interface

• 2-pin Serial Wire Debug interface

• Micro Trace Buffer (MTB)

• Pre-Programmed USB/UART Bootloader

• Temperature range -40 to 85 ºC

• Single power supply 1.98 to 3.8 V

• Packages:

• CSP36 (3×3 mm)

• QFN24 (5×5 mm)

• QFN32 (6×6 mm)

• TQFP48 (7×7 mm)

EFM32HG系列：

EFM32HG108F32-B-QFN24

EFM32HG108F64-B-QFN24

EFM32HG110F32-B-QFN24

EFM32HG110F64-B-QFN24

EFM32HG210F32-B-QFN32

EFM32HG210F64-B-QFN32

EFM32HG222F64-B-QFP48

EFM32HG222F32-B-QFP48

EFM32HG308F32-B-QFN24

EFM32HG308F64-B-QFN24

EFM32HG309F32-B-QFN24

EFM32HG309F64-B-QFN24

EFM32HG310F32-B-QFN32

EFM32HG310F64-B-QFN32

EFM32HG321F32-B-QFP48

EFM32HG321F64-B-QFP48

EFM32HG322F32-B-QFP48

EFM32HG322F64-B-QFP48

EFM32HG350F32-B-CSP36

EFM32HG350F64-B-CSP36

　　方案中使用Silicon Labs 的高精度Si7020传感器采集温湿度，使用Si1145-M01传感器模块采集棚内的环境光和紫外光;此外，由EPSON的时钟模块RX-8130CE记录时间。将这些值及各控制器的工作状态等信息，传给主控EFM32HG210F64 MCU进行处理，然后把数据通过以太网(W5500)上传到PC机进行分析。分析后，经PC机向下发送各种控制指令，包括发送控制继电器的指令，接着通过继电器控制AC220V、DC24V电磁阀的开通与关断，且实现开窗、风机、灌溉的控制，并保证工作的可靠性，这是本控制器的一个关键功能。

【Si7020】

I2C HUMIDITY AND TEMPERATURE SENSOR

Features

> Precision Relative Humidity Sensor

》 ± 4% RH (max), 0–80% RH

> High Accuracy Temperature Sensor

》±0.4 °C (max), –10 to 85 °C

> 0 to 100% RH operating range

> Up to –40 to +125 °C operatingrange

> Wide operating voltage(1.9 to 3.6 V)

> Low Power Consumption

》150 µA active current

》60 nA standby current

> Factory-calibrated

> I2C Interface

> Integrated on-chip heater

> 3x3 mm DFN Package

> Excellent long term stability

> Optional factory-installed cover

》Low-profile

》Protection during reflow

》Excludes liquids and particulates

Applications

> HVAC/R

> Thermostats/humidistats

> Respiratory therapy

> White goods

> Indoor weather stations

> Micro-environments/data centers

> Automotive climate control and defogging

> Asset and goods tracking

> Mobile phones and tablets

Description

The Si7020 I2C Humidity and Temperature Sensor is a monolithic CMOS IC integrating humidity and temperature sensor elements, an analog-to-digital converter, signal processing, calibration data, and an I2C Interface. The patented use of industry-standard, low-K polymeric dielectrics for sensing humidity enables the construction of low-power, monolithic CMOS Sensor ICs with low drift and hysteresis, and excellent long term stability.

The humidity and temperature sensors are factory-calibrated and the calibration data is stored in the on-chip non-volatile memory. This ensures that the sensors are fully interchangeable, with no recalibration or software changes required.

The Si7020 is available in a 3x3 mm DFN package and is reflow solderable. It can be used as a hardware- and software-compatible drop-in upgrade for existing RH/ temperature sensors in 3x3 mm DFN-6 packages, featuring precision sensing over a wider range and lower power consumption. The optional factory-installed cover offers a low profile, convenient means of protecting the sensor during assembly (e.g., reflow soldering) and throughout the life of the product, excluding liquids (hydrophobic/oleophobic) and particulates.

The Si7020 offers an accurate, low-power, factory-calibrated digital solution ideal for measuring humidity, dew-point, and temperature, in applications ranging from HVAC/R and asset tracking to industrial and consumer platforms.

Functional Block Diagram

【Si1145-M01/Si1146-M01/Si1147-M01】

PROXIMITY/UV/AMBIENT LIGHT SENSOR MODULE WITH I2C INTERFACE

Features

> Integrated infrared proximity detector

》Proximity detection adjustable from under 1 cm to over 50 cm

》Three independent LED drivers

》15 current settings from 5.6 mA to 360 mA for each LED driver

》25.6 µs LED driver pulse width

》50 cm proximity range with single pulse (<3 klx)

》15 cm proximity range with single pulse (>3 klx)

》Operates at up to 128 klx (direct sunlight)

》High reflectance sensitivity < 1 µW/cm2

》High EMI immunity without shielded packaging

> Integrated UV index sensor

> Integrated ambient light sensor

》100 mlx resolution possible, allowing operation under dark glass

》1 to 128 klx dynamic range possible across two ADC range settings

》Accurate lux measurements with IR correction algorithm

> Industry's lowest power consumption

》1.71 to 3.6 V supply voltage

》9 µA average current (LED pulsed 25.6 µs every 800 ms at 180 mA plus 3 µA Si1145/46/47-M01 supply)

》< 500 nA standby current

》Internal and external wake support

》Built-in voltage supply monitor and power-on reset controller

》25.6 µs LED “on” time keeps total power consumption duty cycle low without compromising performance or noise immunity

> IR LED integrated inside the module

> I2C Serial communications

》Up to 3.4 Mbps data rate

》Slave mode hardware address decoding (0x60)

> Small-outline 10-lead 4.9x2.85x1.2 mm QFN

> Temperature Range

》–40 to +85 °C

Applications

> Handsets

> Heart rate monitoring

> Pulse oximetry

> Wearables

> E-book readers

> Notebooks/Netbooks

> Portable consumer electronics

> Touchless switches

> Touchless sliders

> Consumer electronics

> Display backlighting control

Description

The Si1145/46/47-M01 is a low-power, reflectance-based, proximity, UV Index and ambient light module with integrated single IR LED, two additional LED driver outputs, I2C digital interface, and programmable-event interrupt output. This touchless sensor module includes an analog-to-digital converter, integrated highsensitivity visible and infrared photodiodes, digital signal processor, and three integrated infrared LED drivers with fifteen selectable drive levels. The Si1145/46/47- M01 offers excellent performance under a wide dynamic range and a variety of light sources including direct sunlight. The Si1145/46/47-M01 can also work under dark glass covers. The photodiode response and associated digital conversion circuitry provide excellent immunity to artificial light flicker noise and natural light flutter noise. With two or more LEDs, the Si1145/46/47-M01 is capable of supporting multiple-axis proximity motion detection. The Si1145/46/47-M01 devices are provided in a 10-lead 4.9x2.85x1.2 mm QFN package and are capable of operation from 1.71 to 3.6 V over the –40 to +85 °C temperature range.

Functional Block Diagram

　　无线蓝牙通讯技术的使用，拓展了控制器的应用范围，实现了计算机和控制器等多方面的互动性。系统设计带有SD卡座和RS232串口，SD卡用作本地存储，而串口可以与电脑相连与控制器通信，使用微控制器控制总线可实现灌溉等操作，同以太网操作方式可以并行。

　　在本方案中，主控MCU的性能决定了系统的稳定性和可靠性。EFM32系列的MCU具有卓越的低功耗特点，支持电容按键和USB 低功耗模式(900nA的睡眠功耗，131uA/MHz的运行功耗)。可用USB充电检测，其内置USB LDO和晶振，USB为低能耗模式 (LEM)，内置专用的端点 RAM，显著降低了USB 的电流消耗。一个典型的收发器在空闲时，保持在“接收”模式，消耗高达8 mA电流，而带有LEM，会使收发器保持在一个类似于暂停的小电流模式，同步、中断和大批量传送都得益于LEM。

　　EFM32系列MCU不仅适用于电池供电的架构，节省外围设备，还能用于无线安全的硬件AES加密，拥有先进的能源管理系统和五个能量模式。其含有丰富的外设资源，而且芯片内部集成高精度多通道高性能的模拟外设，其中包括12位ADC采集和IDAC输出。EFM32HG210F64是ARM Coretex-M0+ CPU，拥有64K的FLASH空间，8K的RAM空间，最多35个通用的GPIO口，片上AES加密。EFM32HG210F64-QFN32的高集成度和小封装，实现了小型化设计，其自主外围设备无需主处理器的干预，是对于功耗敏感或者电池供电类应用的最佳解决方案。

　　相关元件供应

　　型号：X1B000311000100                       品牌：EPSON

　　型号：SI7020-A20-GM1R                      品牌：SILICON LABS

　　型号：SI7020-A20-GMR                        品牌：SILICON LABS

　　型号：SI7020-A10-IM                           品牌：SILICON LABS

　　型号：EFM32HG210F64G-A-QFN32     品牌：SILICON LABS

　　型号：SI7020-A20-IM                           品牌：SILICON LABS

【微控制单元】

　　微控制单元(Microcontroller Unit;MCU) ，又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机，是把中央处理器(Central Process Unit;CPU)的频率与规格做适当缩减，并将内存(memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。诸如手机、PC外围、遥控器，至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等，都可见到MCU的身影。

　　单片机出现的历史 并不长，但发展十分迅猛。 它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致可分为5个阶段。下面以Intel公司的单片机发展为代表加以介绍。

　　1971-1976

　　单片机发展的初级阶段。 1971年11月Intel公司首先设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel 4004, 并配有RAM、 ROM和移位寄存器, 构成了第一台MCS—4微处理器, 而后又推出了8位微处理器Intel 8008, 以及其它各公司相继推出的8位微处理器。

　　1976-1980

　　低性能单片机阶段。 以1976年Intel公司推出的MCS—48系列为代表, 采用将8位CPU、 8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构, 虽然其寻址范围有限(不大于4 KB), 也没有串行I/O, RAM、 ROM容量小, 中断系统也较简单, 但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

　　1980-1983

　　高性能单片机阶段。 这一阶段推出的高性能8位单片机普遍带有串行口, 有多级中断处理系统, 多个16位定时器/计数器。片内RAM、 ROM的容量加大，且寻址范围可达64 KB，个别片内还带有A/D转换接口。

　　1983-80年代末

　　16位单片机阶段。 1983年Intel公司又推出了高性能的16位单片机MCS-96系列, 由于其采用了最新的制造工艺, 使芯片集成度高达12万只晶体管/片。

　　1990年代

　　单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

　　按照单片机的特点，单片机的应用分为单机应用与多机应用。在一个应用系统中，只使用一片单片机称为单机应用。单片机的单机应用的范围包括：

　　(1) 测控系统。 用单片机可以构成各种不太复杂的工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等, 达到测量与控制的目的。

　　(2) 智能仪表。 用单片机改造原有的测量、控制仪表, 促进仪表向数字化、智能化、多功能化、综合化、柔性化方向发展。

　　(3) 机电一体化产品。单片机与传统的机械产品相结合, 使传统机械产品结构简化, 控制智能化。

　　(4) 智能接口。 在计算机控制系统, 特别是在较大型的工业测、控系统中, 用单片机进行接口的控制与管理, 加之单片机与主机的并行工作, 大大提高了系统的运行速度。

　　(5) 智能民用产品。 如在家用电器、玩具、游戏机、声像设备、电子秤、收银机、办公设备、厨房设备等许多产品中, 单片机控制器的引入, 不仅使产品的功能大大增强, 性能得到提高, 而且获得了良好的使用效果。

　　单片机的多机应用系统可分为功能集散系统、并行多机处理及局部网络系统。

　　(1) 功能集散系统。 多功能集散系统是为了满足工程系统多种外围功能的要求而设置的多机系统。

　　(2) 并行多机控制系统。 并行多机控制系统主要解决工程应用系统的快速性问题, 以便构成大型实时工程应用系统。

　　(3) 局部网络系统。

　　单片机按应用范围又可分成通用型和专用型。专用型是针对某种特定产品而设计的，例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等等。在通用型的单片机中，又可按字长分为4位、8位、16/32位，虽然计算机的微处理器现在几乎是32/64位的天下，8位、16位的微处理器已趋于萎缩，但单片机情况却不同，8位单片机成本低，价格廉，便于开发，其性能能满足大部分的需要，只有在航天、汽车、机器人等高技术领域，需要高速处理大量数据时，才需要选用16/32位，而在一般工业领域，8位通用型单片机，仍然是目前应用最广的单片机。

　　到目前为止，中国的单片机应用和嵌入式系统开发走过了二十余年的历程，随着嵌入式系统逐渐深入社会生活各个方面，单片机课程的教学也有从传统的8位处理器平台向32位高级RISC处理器平台转变的趋势，但8位机依然难以被取代。国民经济建设、军事及家用电器等各个领域，尤其是手机、汽车自动导航设备、PDA、智能玩具、智能家电、医疗设备等行业都是国内急需单片机人才的行业。行业高端目前有超过10余万名从事单片机开发应用的工程师，但面对嵌入式系统工业化的潮流和我国大力推动建设“嵌入式软件工厂”的机遇，我国的嵌入式产品要溶入国际市场，形成产业，则必将急需大批单片机应用型人才，这为高职类学生从事这类高技术行业提供了巨大机会。