摘 要： 土壤含水量的準確測定是實現(xiàn)節(jié)水灌溉和精準農業(yè)的基礎,。為實現(xiàn)土壤水分的自動測量和無線傳輸,，基于FDR和CC2530芯片設計了無線土壤水分傳感器節(jié)點。FDR實現(xiàn)了快速,、精確的土壤含水量測量,，CC2530完成模數轉換、數字信號處理和射頻信號的發(fā)送等工作,。討論了節(jié)點的低功耗問題,，最后對節(jié)點進行了丟包率測試。試驗結果表明：所設計開發(fā)的基于CC2530的傳感器節(jié)點具有丟包率低,、運行穩(wěn)定可靠的特點,，能夠滿足土壤水分的無線數據采集的要求。
關鍵詞： 土壤水分,；監(jiān)測,；傳感器；CC2530
0 引言
采用自動灌溉系統(tǒng)可以根據土壤的水分含量確定澆灌的時間和次數,，有效地減少水資源的浪費,，提高作物產量。能否實現(xiàn)對土壤含水量的精確測量,，是設計自動灌溉系統(tǒng)的關鍵,。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,，并利用介電常數與含水率之間存在的關系轉化為土壤含水量。
灌溉自動化的建設迫切需要自動化的土壤水分傳感器,，以獲取實時,、精確的土壤水分數據。FDR法因其獲取數據方便,、直觀,、快捷并可實現(xiàn)持續(xù)觀測等特點，得到了較快的發(fā)展應用[2-3],。目前大多數土壤水分檢測設備是以有線的方式進行數據傳輸,，在土壤墑情監(jiān)測中，通常需要大范圍測量土壤水分,，需鋪設長距離的通信線路,，導致成本高,、維護困難、工作效率低等問題,。無線網絡技術的發(fā)展為設計無線土壤傳感器提供了可能,。無線傳感器節(jié)點具有部署方便、傳輸距離遠,、數據安全可靠等特點,。國內外也相續(xù)開展了一些這方面的研究，大多是使用GPRS技術或分離的單片機和射頻模塊來構建無線通信系統(tǒng),。
本文提出了一種使用FDR土壤水分傳感器和CC2530單片機設計的土壤含水量檢測節(jié)點,，具有快速、便攜的特點,，可以與其他節(jié)點組成無線傳感器網絡,，在更大的范圍內實現(xiàn)對區(qū)域土壤含水量的測量。
1 系統(tǒng)的硬件設計
土壤水分傳感器節(jié)點的組成如圖1所示,。它由電源電路,、土壤水分傳感器、信號調理電路,、CC2530模塊等組成,。節(jié)點可以實現(xiàn)土壤水分的檢測、數據的變換,、射頻的發(fā)送等功能,。節(jié)點采用鋰電池供電。土壤水分傳感器獲取與介電常數成正比的電壓,，信號調理電路對來自傳感器的數據進行電源監(jiān)測,、數據取樣，最后由CC2530模塊對數據進行AD轉換,、矯正和融合，然后將數據射頻發(fā)送到網關,。
土壤水分傳感器節(jié)點也可以響應網關節(jié)點發(fā)送的查詢命令,，可以將單次測量的實時數據及節(jié)點的狀態(tài)信息發(fā)送給網關，提高了節(jié)點的響應速度,。
1.1 土壤水分傳感器的選型
FDR根據特定頻率的電磁波在土壤中傳播來測試土壤的介電常數,，F(xiàn)DR的一對電極組成一個電容，其間的土壤充當電介質,，電極之間的水分的變化會直接影響電容的介電常數發(fā)生變化,。當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,，高頻信號經過變換后可以得到反映介電常數變化的電壓信號,。由此可以通過測量土壤的介電常數獲取土壤的含水量[4],。土壤含水量θ與介電常數ε的關系式為：
θ=-0.53×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3（1）
節(jié)點使用高精度標準土壤水分傳感器FDS-100。FDS-100由電源模塊,、變送模塊,、漂零及溫度補償模塊、數據處理模塊等組成,。傳感器內置信號采樣及放大,、漂零及溫度補償功能。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,。
從輸出特征曲線可以看出,，當土壤水分含水量在40%以下時，輸出電壓與土壤含水量有很好的線性關系,。
1.2 信號調理電路
調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管進行控制。當CC2530的P1.2引腳輸出高電平時,，開關管Q1導通,，電源對傳感器供電。
節(jié)點在長時間工作后,，電池電壓會降低,，影響測試數據的準確性和無線信號的傳送距離，因此需要實時監(jiān)測電源供電電壓,。電路設計了一個電源監(jiān)控輸出端,，傳感器電源經分壓后送到CC2530的A/D轉換電路，微處理器可以監(jiān)測電源電壓值,，當電源降至某一設定值后將給出提示信號,。
1.3 CC2530單片機
系統(tǒng)采用TI公司的CC2530單片機作為主控芯片，CC2530內部集成有2.4 GHz符合IEEE 802.15.4規(guī)范的DSSS（直接序列擴頻）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（模數轉換器）,，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,、功耗低等特性，在無線傳感器節(jié)點的設計中得到了比較廣泛的應用[5-6],。
1.4 節(jié)點供電電源
電源主要為CC2530單片機,、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)點供電。由于節(jié)點各個組成部分的電壓不同,，需要使用電平轉換電路獲取多個不同電平,。使用的電平轉換芯片為TPS79533，輸入電平為2.7~5.5 V,，輸出為3.3 V,。節(jié)點電源模塊如圖4所示。
2 系統(tǒng)的軟件設計
2.1 基于事件的任務設計
軟件系統(tǒng)基于TI的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack實現(xiàn),。Z-Stack按照分層的結構來實現(xiàn)軟件功能,，Z-Stack協(xié)議棧在結構上分為應用層、網絡層,、安全層,、MAC層和物理層，每一層的函數都嚴格按照ZigBee協(xié)議棧IEEE802.15.4標準編寫[7],。在協(xié)議棧內部嵌入了一個精簡的操作系統(tǒng),，實現(xiàn)對任務的統(tǒng)一調度。操作系統(tǒng)向用戶提供統(tǒng)一的接口,，方便用戶進行應用程序的開發(fā),。系統(tǒng)軟件的開發(fā)通過基于事件的任務機制來實現(xiàn)。將系統(tǒng)的各個功能劃分為不同的任務,，每個任務都有自己的初始化和處理函數,，任務之間通過事件進行通信。事件分為系統(tǒng)事件和用戶自定義事件,。在每個任務中，要實現(xiàn)針對用戶自定義事件的處理函數,。土壤水分傳感器節(jié)點發(fā)送數據的流程圖如圖5所示,。
土壤水分傳感器上電后首先進行初始化工作，檢測周圍有無可用的ZigBee網絡,，如果有,，就加入并獲得網絡地址,。節(jié)點根據設定的時間間隔讀取傳感器的數據。在未接收到查詢命令時,，節(jié)點每小時采集一次土壤水分數據,，連續(xù)采集10次數據后向網關發(fā)送一次數據。如果接到來自網關的查詢命令,，則會實時向網關節(jié)點發(fā)送數據,。這樣的設計方式，可以保證系統(tǒng)實時和降低能耗的要求,。
2.2 節(jié)點通信協(xié)議
程序設計在應用層上實現(xiàn),，通過網絡協(xié)議提供的標準函數實現(xiàn)數據發(fā)送。數據以數據幀的格式發(fā)送,，在一幀數據中,，除了傳感器數據外，還要附加一些狀態(tài)信息和控制信息,。數據幀有兩種格式,，一種是完成10次測量后發(fā)送到網關的集成數據幀，其格式如表1所示,；另外一種格式是接收到網關查詢命令后發(fā)送到網關的實時數據幀,，其格式如表2所示。
2.3 低功耗設計方法
土壤水分傳感器節(jié)點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功耗,、發(fā)射功耗/接收功耗和運算功耗。其中待機工作電流為0.6 mA,，功耗為1.8 mW,。接收數據時工作電流為21.1 mA，功耗為63.3 mW,。發(fā)送數據時,，節(jié)點的發(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系[8]，當射頻發(fā)送功率為0 dBm,，發(fā)送數據包中應用數據為26 B（集成數據幀）時,，實測95.7 mA。如果采用每采集一次數據即發(fā)射一次的方式,，這時的應用數據長度（實時數據幀）為8 B,，這時發(fā)送一次的功耗是58.7 mW，連續(xù)發(fā)送10個數據的總的功耗是587 mW,，遠大于一次發(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，將采集數據的時間間隔設計為每小時采集1次數據,。節(jié)點只在查詢時才會接收數據,，且節(jié)點在正常工作時，查詢操作的概率較低,，這部分的能耗可以忽略,。為減少發(fā)送數據的次數，每次采集數據后并不是立即發(fā)送到網關,，而是完成10次測量后將數據打包發(fā)送,。
3 節(jié)點性能測試
3.1 傳感器土壤水分測試結果
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)點與網關節(jié)點距離20 m條件下進行測試，每個樣本測量10次,，取其平均值,，進行了5批次的測量。網關節(jié)點讀取的土壤水分數據如表3所示,，與之對應的測量曲線如圖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,。
3.2 丟包率測試
數據包在傳送過程中由于受到傳輸距離,、節(jié)點電壓、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)點的數據傳輸丟包率進行了測試,，丟包率與距離的關系如表4所示,。
從測試結果可以看出，隨著距離的增加,，丟包率上升,。傳感器節(jié)點與網關節(jié)點距離在40 m以內，無丟包,，信號傳輸穩(wěn)定可靠,；當移動至50 m處時，開始出現(xiàn)丟包，信號出現(xiàn)不穩(wěn)定,；當節(jié)點移動至100 m時，傳感器節(jié)點無法建立與網關的網絡連接,，數據傳輸失敗,。
當傳感器數據的丟包率高于30%時，無法有效通信,。
4 結論
本文設計了滿足土壤水分測量需要的土壤水分傳感器節(jié)點,，實現(xiàn)了軟硬件設計，特別是傳感器的信號處理電路以及基于事件的任務程序設計,，并對系統(tǒng)的低功耗設計進行了討論,。試驗結果表明：系統(tǒng)在開闊環(huán)境下，40 m范圍內能夠實現(xiàn)良好的通信,?？梢詮碾娐吩O計、軟件編程等方面采取措施減少系統(tǒng)的功耗,。
參考文獻
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