摘  要： 土壤含水量的準(zhǔn)確測(cè)定是實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)土壤水分的自動(dòng)測(cè)量和無(wú)線傳輸，基于FDR和CC2530芯片設(shè)計(jì)了無(wú)線土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)。FDR實(shí)現(xiàn)了快速、精確的土壤含水量測(cè)量，CC2530完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理和射頻信號(hào)的發(fā)送等工作。討論了節(jié)點(diǎn)的低功耗問題，最后對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了丟包率測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)開發(fā)的基于CC2530的傳感器節(jié)點(diǎn)具有丟包率低、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，能夠滿足土壤水分的無(wú)線數(shù)據(jù)采集的要求。

　　關(guān)鍵詞： 土壤水分；監(jiān)測(cè)；傳感器；CC2530

0 引言

　　采用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)土壤的水分含量確定澆灌的時(shí)間和次數(shù)，有效地減少水資源的浪費(fèi)，提高作物產(chǎn)量。能否實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤含水量的精確測(cè)量，是設(shè)計(jì)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵。土壤水分含量的測(cè)量方法，目前主要為采用烘干稱重、張力計(jì)、中子水分計(jì)和時(shí)域反射儀（TDR）、頻域發(fā)射儀（FDR）等測(cè)量方法[1]。目前廣泛采用的測(cè)量土壤含水量的方法是使用TDR或FDR測(cè)量土壤的介電常數(shù)，并利用介電常數(shù)與含水率之間存在的關(guān)系轉(zhuǎn)化為土壤含水量。

　　灌溉自動(dòng)化的建設(shè)迫切需要自動(dòng)化的土壤水分傳感器，以獲取實(shí)時(shí)、精確的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。FDR法因其獲取數(shù)據(jù)方便、直觀、快捷并可實(shí)現(xiàn)持續(xù)觀測(cè)等特點(diǎn)，得到了較快的發(fā)展應(yīng)用[2-3]。目前大多數(shù)土壤水分檢測(cè)設(shè)備是以有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在土壤墑情監(jiān)測(cè)中，通常需要大范圍測(cè)量土壤水分，需鋪設(shè)長(zhǎng)距離的通信線路，導(dǎo)致成本高、維護(hù)困難、工作效率低等問題。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)無(wú)線土壤傳感器提供了可能。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有部署方便、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全可靠等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外也相續(xù)開展了一些這方面的研究，大多是使用GPRS技術(shù)或分離的單片機(jī)和射頻模塊來(lái)構(gòu)建無(wú)線通信系統(tǒng)。

　　本文提出了一種使用FDR土壤水分傳感器和CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)的土壤含水量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，具有快速、便攜的特點(diǎn)，可以與其他節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域土壤含水量的測(cè)量。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)的組成如圖1所示。它由電源電路、土壤水分傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、CC2530模塊等組成。節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)土壤水分的檢測(cè)、數(shù)據(jù)的變換、射頻的發(fā)送等功能。節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電。土壤水分傳感器獲取與介電常數(shù)成正比的電壓，信號(hào)調(diào)理電路對(duì)來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行電源監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)取樣，最后由CC2530模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換、矯正和融合，然后將數(shù)據(jù)射頻發(fā)送到網(wǎng)關(guān)。

　　土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)也可以響應(yīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的查詢命令，可以將單次測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，提高了節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)速度。

　　1.1 土壤水分傳感器的選型

　　FDR根據(jù)特定頻率的電磁波在土壤中傳播來(lái)測(cè)試土壤的介電常數(shù)，F(xiàn)DR的一對(duì)電極組成一個(gè)電容，其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì)，電極之間的水分的變化會(huì)直接影響電容的介電常數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)高頻信號(hào)源加到電路上時(shí)，LC振蕩器的震蕩頻率會(huì)發(fā)生變化，高頻信號(hào)經(jīng)過變換后可以得到反映介電常數(shù)變化的電壓信號(hào)。由此可以通過測(cè)量土壤的介電常數(shù)獲取土壤的含水量[4]。土壤含水量θ與介電常數(shù)ε的關(guān)系式為：

　　θ=-0.53×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3（1）

　　節(jié)點(diǎn)使用高精度標(biāo)準(zhǔn)土壤水分傳感器FDS-100。FDS-100由電源模塊、變送模塊、漂零及溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)處理模塊等組成。傳感器內(nèi)置信號(hào)采樣及放大、漂零及溫度補(bǔ)償功能。量程：0～100%，測(cè)量精度：±3%，測(cè)量主頻：100 MHz，工作電壓：5～12 V，工作電流：21～26 mA，輸出信號(hào)：0～2 VDC。FDS-100輸出特征曲線如圖2所示。

　　從輸出特征曲線可以看出，當(dāng)土壤水分含水量在40%以下時(shí)，輸出電壓與土壤含水量有很好的線性關(guān)系。

　　1.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　調(diào)理電路完成對(duì)水分傳感器的連接和控制。電路如圖3所示。水分傳感器的電壓輸出直接連接到CC2530的P1.1引腳。為了降低傳感器的能耗，對(duì)傳感器的供電電壓加了一個(gè)開關(guān)管進(jìn)行控制。當(dāng)CC2530的P1.2引腳輸出高電平時(shí)，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電源對(duì)傳感器供電。

　　節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，電池電壓會(huì)降低，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和無(wú)線信號(hào)的傳送距離，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源供電電壓。電路設(shè)計(jì)了一個(gè)電源監(jiān)控輸出端，傳感器電源經(jīng)分壓后送到CC2530的A/D轉(zhuǎn)換電路，微處理器可以監(jiān)測(cè)電源電壓值，當(dāng)電源降至某一設(shè)定值后將給出提示信號(hào)。

　　1.3 CC2530單片機(jī)

　　系統(tǒng)采用TI公司的CC2530單片機(jī)作為主控芯片，CC2530內(nèi)部集成有2.4 GHz符合IEEE 802.15.4規(guī)范的DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器，具有優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和抗干擾性，以及一個(gè)增強(qiáng)型8051微控制器。CC2530具有256 KB的可編程Flash以及8 KB的RAM。芯片還集成了8通道12位ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），128位AES加密解密安全協(xié)處理器，休眠模式定時(shí)器等。CC2530具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特性，在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中得到了比較廣泛的應(yīng)用[5-6]。

　　1.4 節(jié)點(diǎn)供電電源

　　電源主要為CC2530單片機(jī)、傳感器等供電。CC2530的供電電壓是3.3 V，傳感器的最小供電電壓是5 V，系統(tǒng)使用電壓為5 V的鋰電池為節(jié)點(diǎn)供電。由于節(jié)點(diǎn)各個(gè)組成部分的電壓不同，需要使用電平轉(zhuǎn)換電路獲取多個(gè)不同電平。使用的電平轉(zhuǎn)換芯片為TPS79533，輸入電平為2.7~5.5 V，輸出為3.3 V。節(jié)點(diǎn)電源模塊如圖4所示。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 基于事件的任務(wù)設(shè)計(jì)

　　軟件系統(tǒng)基于TI的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack實(shí)現(xiàn)。Z-Stack按照分層的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件功能，Z-Stack協(xié)議棧在結(jié)構(gòu)上分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層、MAC層和物理層，每一層的函數(shù)都嚴(yán)格按照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)編寫[7]。在協(xié)議棧內(nèi)部嵌入了一個(gè)精簡(jiǎn)的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)的統(tǒng)一調(diào)度。操作系統(tǒng)向用戶提供統(tǒng)一的接口，方便用戶進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)。系統(tǒng)軟件的開發(fā)通過基于事件的任務(wù)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)。將系統(tǒng)的各個(gè)功能劃分為不同的任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都有自己的初始化和處理函數(shù)，任務(wù)之間通過事件進(jìn)行通信。事件分為系統(tǒng)事件和用戶自定義事件。在每個(gè)任務(wù)中，要實(shí)現(xiàn)針對(duì)用戶自定義事件的處理函數(shù)。土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

　　土壤水分傳感器上電后首先進(jìn)行初始化工作，檢測(cè)周圍有無(wú)可用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，如果有，就加入并獲得網(wǎng)絡(luò)地址。節(jié)點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔讀取傳感器的數(shù)據(jù)。在未接收到查詢命令時(shí)，節(jié)點(diǎn)每小時(shí)采集一次土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，連續(xù)采集10次數(shù)據(jù)后向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)。如果接到來(lái)自網(wǎng)關(guān)的查詢命令，則會(huì)實(shí)時(shí)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)方式，可以保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)和降低能耗的要求。

　　2.2 節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

　　程序設(shè)計(jì)在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送。數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的格式發(fā)送，在一幀數(shù)據(jù)中，除了傳感器數(shù)據(jù)外，還要附加一些狀態(tài)信息和控制信息。數(shù)據(jù)幀有兩種格式，一種是完成10次測(cè)量后發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的集成數(shù)據(jù)幀，其格式如表1所示；另外一種格式是接收到網(wǎng)關(guān)查詢命令后發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀，其格式如表2所示。

　　2.3 低功耗設(shè)計(jì)方法

　　土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗主要來(lái)自兩個(gè)方面：CC2530的功耗和傳感器功耗。CC2530的功耗包括芯片的待機(jī)功耗、發(fā)射功耗/接收功耗和運(yùn)算功耗。其中待機(jī)工作電流為0.6 mA，功耗為1.8 mW。接收數(shù)據(jù)時(shí)工作電流為21.1 mA，功耗為63.3 mW。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功耗與發(fā)送分組的長(zhǎng)度和射頻發(fā)送功率均有密切的關(guān)系[8]，當(dāng)射頻發(fā)送功率為0 dBm，發(fā)送數(shù)據(jù)包中應(yīng)用數(shù)據(jù)為26 B（集成數(shù)據(jù)幀）時(shí)，實(shí)測(cè)95.7 mA。如果采用每采集一次數(shù)據(jù)即發(fā)射一次的方式，這時(shí)的應(yīng)用數(shù)據(jù)長(zhǎng)度（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀）為8 B，這時(shí)發(fā)送一次的功耗是58.7 mW，連續(xù)發(fā)送10個(gè)數(shù)據(jù)的總的功耗是587 mW，遠(yuǎn)大于一次發(fā)送10 B的功耗。

　　傳感器的工作電流為21 mA，功耗為105 mW。

　　土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)采用鋰電池供電，由于傳感器的工作電流大，為延長(zhǎng)電池的工作時(shí)間，將采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔設(shè)計(jì)為每小時(shí)采集1次數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)只在查詢時(shí)才會(huì)接收數(shù)據(jù)，且節(jié)點(diǎn)在正常工作時(shí)，查詢操作的概率較低，這部分的能耗可以忽略。為減少發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)，每次采集數(shù)據(jù)后并不是立即發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，而是完成10次測(cè)量后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3 節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試

　　3.1 傳感器土壤水分測(cè)試結(jié)果

　　取粘土一份，加水配置成不同含水量的待測(cè)土壤樣本。在室溫23℃，傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離20 m條件下進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)樣本測(cè)量10次，取其平均值，進(jìn)行了5批次的測(cè)量。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)讀取的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示，與之對(duì)應(yīng)的測(cè)量曲線如圖6所示。由圖6可知，輸出電壓與土壤濕度保持了很好的線性度。

　　3.2 丟包率測(cè)試

　　數(shù)據(jù)包在傳送過程中由于受到傳輸距離、節(jié)點(diǎn)電壓、周圍環(huán)境等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)程度不同的丟包率。在空曠地帶，CC2530距地面高度1.2 m，晴天，電池電壓5.3 V，射頻發(fā)送頻率2.4 GHz情況下對(duì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸丟包率進(jìn)行了測(cè)試，丟包率與距離的關(guān)系如表4所示。

　　從測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著距離的增加，丟包率上升。傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)距離在40 m以內(nèi)，無(wú)丟包，信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠；當(dāng)移動(dòng)至50 m處時(shí)，開始出現(xiàn)丟包，信號(hào)出現(xiàn)不穩(wěn)定；當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)至100 m時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)法建立與網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)連接，數(shù)據(jù)傳輸失敗。

　　當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)的丟包率高于30%時(shí)，無(wú)法有效通信。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了滿足土壤水分測(cè)量需要的土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了軟硬件設(shè)計(jì)，特別是傳感器的信號(hào)處理電路以及基于事件的任務(wù)程序設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)在開闊環(huán)境下，40 m范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)良好的通信。可以從電路設(shè)計(jì)、軟件編程等方面采取措施減少系統(tǒng)的功耗。

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