摘 要： 土壤含水量的準確測定是實現節水灌溉和精準農業的基礎。為實現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點。FDR實現了快速、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送等工作。討論了節點的低功耗問題，最后對節點進行了丟包率測試。試驗結果表明：所設計開發的基于CC2530的傳感器節點具有丟包率低、運行穩定可靠的特點，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；監測；傳感器；CC2530
0 引言
采用自動灌溉系統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。能否實現對土壤含水量的精確測量，是設計自動灌溉系統的關鍵。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、快捷并可實現持續觀測等特點，得到了較快的發展應用[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。無線網絡技術的發展為設計無線土壤傳感器提供了可能。無線傳感器節點具有部署方便、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。
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點，具有快速、便攜的特點，可以與其他節點組成無線傳感器網絡，在更大的范圍內實現對區域土壤含水量的測量。
1 系統的硬件設計
土壤水分傳感器節點的組成如圖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。節點可以實現土壤水分的檢測、數據的變換、射頻的發送等功能。節點采用鋰電池供電。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，然后將數據射頻發送到網關。
土壤水分傳感器節點也可以響應網關節點發送的查詢命令，可以將單次測量的實時數據及節點的狀態信息發送給網關，提高了節點的響應速度。
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，FDR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，因此需要實時監測電源供電電壓。電路設計了一個電源監控輸出端，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規范的DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器，具有優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，在無線傳感器節點的設計中得到了比較廣泛的應用[5-6]。
1.4 節點供電電源
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，系統使用電壓為5 V的鋰電池為節點供電。由于節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。節點電源模塊如圖4所示。
2 系統的軟件設計
2.1 基于事件的任務設計
軟件系統基于TI的ZigBee協議棧Z-Stack實現。Z-Stack按照分層的結構來實現軟件功能，Z-Stack協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協議棧IEEE802.15.4標準編寫[7]。在協議棧內部嵌入了一個精簡的操作系統，實現對任務的統一調度。操作系統向用戶提供統一的接口，方便用戶進行應用程序的開發。系統軟件的開發通過基于事件的任務機制來實現。將系統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。事件分為系統事件和用戶自定義事件。在每個任務中，要實現針對用戶自定義事件的處理函數。土壤水分傳感器節點發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，節點每小時采集一次土壤水分數據，連續采集10次數據后向網關發送一次數據。如果接到來自網關的查詢命令，則會實時向網關節點發送數據。這樣的設計方式，可以保證系統實時和降低能耗的要求。
2.2 節點通信協議
程序設計在應用層上實現，通過網絡協議提供的標準函數實現數據發送。數據以數據幀的格式發送，在一幀數據中，除了傳感器數據外，還要附加一些狀態信息和控制信息。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。發送數據時，節點的發送功耗與發送分組的長度和射頻發送功率均有密切的關系[8]，當射頻發送功率為0 dBm，發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，這時發送一次的功耗是58.7 mW，連續發送10個數據的總的功耗是587 mW，遠大于一次發送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。節點只在查詢時才會接收數據，且節點在正常工作時，查詢操作的概率較低，這部分的能耗可以忽略。為減少發送數據的次數，每次采集數據后并不是立即發送到網關，而是完成10次測量后將數據打包發送。
3 節點性能測試
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℃，傳感器節點與網關節點距離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、節點電壓、周圍環境等因素的影響，會出現程度不同的丟包率。在空曠地帶，CC2530距地面高度1.2 m，晴天，電池電壓5.3 V，射頻發送頻率2.4 GHz情況下對節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。傳感器節點與網關節點距離在40 m以內，無丟包，信號傳輸穩定可靠；當移動至50 m處時，開始出現丟包，信號出現不穩定；當節點移動至100 m時，傳感器節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點，實現了軟硬件設計，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，并對系統的低功耗設計進行了討論。試驗結果表明：系統在開闊環境下，40 m范圍內能夠實現良好的通信。可以從電路設計、軟件編程等方面采取措施減少系統的功耗。
參考文獻
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