《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CC2530的無線土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計
2015年微型機(jī)與應(yīng)用第20期
李松濤,周成虎,尹清爽
河南工程學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院,河南 鄭州 451191
摘要: 土壤含水量的準(zhǔn)確測定是實(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)土壤水分的自動測量和無線傳輸,基于FDR和CC2530芯片設(shè)計了無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量,CC2530完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和射頻信號的發(fā)送等工作。討論了節(jié)點(diǎn)的低功耗問題,最后對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了丟包率測試。試驗結(jié)果表明:所設(shè)計開發(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線數(shù)據(jù)采集的要求。
Abstract:
Key words :

  摘  要: 土壤含水量的準(zhǔn)確測定是實(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)土壤水分的自動測量和無線傳輸,基于FDR和CC2530芯片設(shè)計了無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量,CC2530完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理和射頻信號的發(fā)送等工作。討論了節(jié)點(diǎn)的低功耗問題,最后對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了丟包率測試。試驗結(jié)果表明:所設(shè)計開發(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線數(shù)據(jù)采集的要求。

  關(guān)鍵詞: 土壤水分;監(jiān)測;傳感器;CC2530

0 引言

  采用自動灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)土壤的水分含量確定澆灌的時間和次數(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)對土壤含水量的精確測量,是設(shè)計自動灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵。土壤水分含量的測量方法,目前主要為采用烘干稱重、張力計、中子水分計和時域反射儀(TDR)、頻域發(fā)射儀(FDR)等測量方法[1]。目前廣泛采用的測量土壤含水量的方法是使用TDR或FDR測量土壤的介電常數(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。

  灌溉自動化的建設(shè)迫切需要自動化的土壤水分傳感器,以獲取實(shí)時、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)測中,通常需要大范圍測量土壤水分,需鋪設(shè)長距離的通信線路,導(dǎo)致成本高、維護(hù)困難、工作效率低等問題。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計無線土壤傳感器提供了可能。無線傳感器節(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)和射頻模塊來構(gòu)建無線通信系統(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)計的土壤含水量檢測節(jié)點(diǎn),具有快速、便攜的特點(diǎn),可以與其他節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò),在更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對區(qū)域土壤含水量的測量。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

  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、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,信號調(diào)理電路對來自傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行電源監(jiān)測、數(shù)據(jù)取樣,最后由CC2530模塊對數(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)。

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  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,可以將單次測量的實(shí)時數(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測試土壤的介電常數(shù),F(xiàn)DR的一對電極組成一個電容,其間的土壤充當(dāng)電介質(zhì),電極之間的水分的變化會直接影響電容的介電常數(shù)發(fā)生變化。當(dāng)高頻信號源加到電路上時,LC振蕩器的震蕩頻率會發(fā)生變化,高頻信號經(jīng)過變換后可以得到反映介電常數(shù)變化的電壓信號。由此可以通過測量土壤的介電常數(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)置信號采樣及放大、漂零及溫度補(bǔ)償功能。量程:0~100%,測量精度:±3%,測量主頻:100 MHz,工作電壓:5~12 V,工作電流:21~26 mA,輸出信號:0~2 VDC。FDS-100輸出特征曲線如圖2所示。

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  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,輸出電壓與土壤含水量有很好的線性關(guān)系。

  1.2 信號調(diào)理電路

  調(diào)理電路完成對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,對傳感器的供電電壓加了一個開關(guān)管進(jìn)行控制。當(dāng)CC2530的P1.2引腳輸出高電平時,開關(guān)管Q1導(dǎo)通,電源對傳感器供電。

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  節(jié)點(diǎn)在長時間工作后,電池電壓會降低,影響測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和無線信號的傳送距離,因此需要實(shí)時監(jiān)測電源供電電壓。電路設(shè)計了一個電源監(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。

  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)良的無線接收靈敏度和抗干擾性,以及一個增強(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,休眠模式定時器等。CC2530具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特性,在無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計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)各個組成部分的電壓不同,需要使用電平轉(zhuǎn)換電路獲取多個不同電平。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。

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2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

  2.1 基于事件的任務(wù)設(shè)計

  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ZigBee協(xié)議棧IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)編寫[7]。在協(xié)議棧內(nèi)部嵌入了一個精簡的操作系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對任務(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)制來實(shí)現(xiàn)。將系統(tǒng)的各個功能劃分為不同的任務(wù),每個任務(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。在每個任務(wù)中,要實(shí)現(xiàn)針對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。

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  土壤水分傳感器上電后首先進(jìn)行初始化工作,檢測周圍有無可用的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)定的時間間隔讀取傳感器的數(shù)據(jù)。在未接收到查詢命令時,節(jié)點(diǎn)每小時采集一次土壤水分?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)。如果接到來自網(wǎng)關(guān)的查詢命令,則會實(shí)時向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計方式,可以保證系統(tǒng)實(shí)時和降低能耗的要求。

  2.2 節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

  程序設(shè)計在應(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)時數(shù)據(jù)幀,其格式如表2所示。

  2.3 低功耗設(shè)計方法

  土壤水分傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗主要來自兩個方面: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)時工作電流為21.1 mA,功耗為63.3 mW。發(fā)送數(shù)據(jù)時,節(jié)點(diǎn)的發(fā)送功耗與發(fā)送分組的長度和射頻發(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,實(shí)測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,這時的應(yīng)用數(shù)據(jù)長度(實(shí)時數(shù)據(jù)幀)為8 B,這時發(fā)送一次的功耗是58.7 mW,連續(xù)發(fā)送10個數(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,為延長電池的工作時間,將采集數(shù)據(jù)的時間間隔設(shè)計為每小時采集1次數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)只在查詢時才會接收數(shù)據(jù),且節(jié)點(diǎn)在正常工作時,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次測量后將數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

3 節(jié)點(diǎn)性能測試

  3.1 傳感器土壤水分測試結(jié)果

  取粘土一份,加水配置成不同含水量的待測土壤樣本。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)行測試,每個樣本測量10次,取其平均值,進(jìn)行了5批次的測量。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)讀取的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示,與之對應(yīng)的測量曲線如圖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。

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  3.2 丟包率測試

  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情況下對節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸丟包率進(jìn)行了測試,丟包率與距離的關(guān)系如表4所示。

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  從測試結(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),無丟包,信號傳輸穩(wěn)定可靠;當(dāng)移動至50 m處時,開始出現(xiàn)丟包,信號出現(xiàn)不穩(wěn)定;當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動至100 m時,傳感器節(jié)點(diǎn)無法建立與網(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,無法有效通信。

4 結(jié)論

  本文設(shè)計了滿足土壤水分測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,特別是傳感器的信號處理電路以及基于事件的任務(wù)程序設(shè)計,并對系統(tǒng)的低功耗設(shè)計進(jìn)行了討論。試驗結(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??梢詮碾娐吩O(shè)計、軟件編程等方面采取措施減少系統(tǒng)的功耗。

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