李松濤，周成虎，尹清爽（河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院，河南 鄭州 451191）

基于CC2530的無線土壤水分傳感器節(jié)點設(shè)計*

李松濤，周成虎，尹清爽
（河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院，河南 鄭州 451191）

土壤含水量的準(zhǔn)確測定是實現(xiàn)節(jié)水灌溉和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)。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(shè)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(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)點的低功耗問題，最后對節(jié)點進(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(shù)據(jù)采集的要求。

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，提高作物產(chǎn)量。能否實現(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、快捷并可實現(xiàn)持續(xù)觀測等特點，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)點具有部署方便、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)安全可靠等特點。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單片機設(shè)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(wǎng)絡(luò)，在更大的范圍內(nèi)實現(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)點可以實現(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)。

圖1 無線水分傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

土壤水分傳感器節(jié)點也可以響應(yīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的查詢命令，可以將單次測量的實時數(shù)據(jù)及節(jié)點的狀態(tài)信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，提高了節(jié)點的響應(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：

節(jié)點使用高精度標(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、漂零及溫度補償功能。量程：0～100％，測量精度：±3％，測量主頻：100MHz，工作電壓：5～12V，工作電流：21～26mA，輸出信號：0～2VDC。FDS-100輸出特征曲線如圖2所示。

圖2 FDS-100輸出特征曲線

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。

圖3 傳感器控制電路

節(jié)點在長時間工作后，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

系統(tǒng)采用TI公司的CC2530單片機作為主控芯片，CC2530內(nèi)部集成有2.4GHz符合IEEE802.15.4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256KB的可編程Flash以及8KB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、功耗低等特性，在無線傳感器節(jié)點的設(shè)計中得到了比較廣泛的應(yīng)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3.3V，傳感器的最小供電電壓是5V，系統(tǒng)使用電壓為5V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(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2.7～5.5V，輸出為3.3V。節(jié)點電源模塊如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

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實現(xiàn)。ZStack按照分層的結(jié)構(gòu)來實現(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)機制來實現(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)點發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖5所示。

圖5 土壤水分傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖

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，則會實時向網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)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(shè)計在應(yīng)用層上實現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)實現(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)的實時數(shù)據(jù)幀，其格式如表2所示。

表1 集成數(shù)據(jù)幀格式

表2 實時數(shù)據(jù)幀格式

2.3 低功耗設(shè)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0.6mA，功耗為1.8 mW。接收數(shù)據(jù)時工作電流為21.1mA，功耗為63.3mW。發(fā)送數(shù)據(jù)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(guān)系［8］，當(dāng)射頻發(fā)送功率為0dBm，發(fā)送數(shù)據(jù)包中應(yīng)用數(shù)據(jù)為26B（集成數(shù)據(jù)幀）時，實測95.7mA。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（實時數(shù)據(jù)幀）為8B，這時發(fā)送一次的功耗是58.7mW，連續(xù)發(fā)送10個數(shù)據(jù)的總的功耗是587mW，遠(yuǎn)大于一次發(fā)送10B的功耗。

傳感器的工作電流為21mA，功耗為105mW。

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(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)點只在查詢時才會接收數(shù)據(jù)，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(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)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點距離20m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。

表3 土壤水分測量數(shù)據(jù)

圖6 樣品測量曲線

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1.2m，晴天，電池電壓5.3V，射頻發(fā)送頻率2.4GHz情況下對節(jié)點的數(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。

表4 傳感器節(jié)點的丟包率測試

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)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點距離在40m以內(nèi)，無丟包，信號傳輸穩(wěn)定可靠；當(dāng)移動至50m處時，開始出現(xiàn)丟包，信號出現(xiàn)不穩(wěn)定；當(dāng)節(jié)點移動至100m時，傳感器節(jié)點無法建立與網(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，實現(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，40m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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Design and implement of sensor node for soil moisture based on CC2530

Li Songtao，Zhou Chenghu，Yin Qingshuang
（School of Computer，Henan Institute of Engineering，Zhengzhou 451191，China）

Accurate measurement of soil moisture is the basis of water saving irrigation and precision agriculture.In order to achieve soil moisture by the means of automatic measurement and wireless transmission，wireless soil moisture sensor node based on FDR and CC2530 chip is designed.FDR can achieve data rapidly and accurately and CC2530 implements ADC，digital signal processing and RF transmission and so on.The problem of power consumption of the node is discussed，and the packet loss rate is tested.The results show that the design and development of the sensor node based on CC2530 has the characteristics of low packet loss rate，stable operation and reliability.It can meet the requirements of the wireless data acquisition of soil moisture.

soil moisture；monitoring；sensor；CC2530

S153；TP393

A

1674-7720（2015）20-0021-04

李松濤，周成虎，尹清爽.基于CC2530的無線土壤水分傳感器節(jié)點設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2015，34（20）：21-24.

2015-07-16）

李松濤（1971-），通信作者，男，碩士，講師，主要研究方向：計算機網(wǎng)絡(luò)、嵌入式系統(tǒng)。E-mail：list2005@163.com。

河南省科技廳科技攻關(guān)計劃項目（122102310443）