基于CC2530的無線土壤水分傳感器節點設計*

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

基于CC2530的無線土壤水分傳感器節點設計*

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

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。

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。

圖1 無線水分傳感器節點硬件結構

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：

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：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。

圖3 傳感器控制電路

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2.4GHz符合IEEE802.15.4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3.3V，傳感器的最小供電電壓是5V，系統使用電壓為5V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2.7～5.5V，輸出為3.3V。節點電源模塊如圖4所示。

圖4 電源模塊電路

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。ZStack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。

圖5 土壤水分傳感器節點發送數據的流程圖

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。

表1 集成數據幀格式

表2 實時數據幀格式

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0.6mA，功耗為1.8 mW。接收數據時工作電流為21.1mA，功耗為63.3mW。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0dBm，發送數據包中應用數據為26B（集成數據幀）時，實測95.7mA。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8B，這時發送一次的功耗是58.7mW，連續發送10個數據的總的功耗是587mW，遠大于一次發送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20m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。

表3 土壤水分測量數據

圖6 樣品測量曲線

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1.2m，晴天，電池電壓5.3V，射頻發送頻率2.4GHz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。

表4 傳感器節點的丟包率測試

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40m以內，無丟包，信號傳輸穩定可靠；當移動至50m處時，開始出現丟包，信號出現不穩定；當節點移動至100m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，40m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。

［1］王吉星，孫永遠．土壤水分監測傳感器的分類與應用［J］．水利信息化，2010（5）：37-41．

［2］張瑞瑞，趙春江，陳立平．農田信息采集無線傳感器網絡節點設計［J］．農業工程學報，2009，25（11）：213-218．

［3］何大偉，魯翠萍，王儒敬.基于MSP430單片機的土壤水分測量系統開發［J］.儀表技術，2015（2）：14-17．

［4］GINGER B P，TIMOTHY O K.Comparison of field performance of multiple soil moisture sensors in a semi-arid rangeland［J］.Journal of the American Water Resources Association，2008，44（1）：121-135.

［5］許東，操文元，孫茜．基于CC2530的環境監測無線傳感器網絡節點設計［J］．計算機應用，2013，33（S2）：17-20，24．

［6］章偉聰，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點［J］．計算機系統應用，2011，20（7）：184-187，120．

［7］石繁榮，黃玉清，任珍文．基于ZigBee的多傳感器物聯網無線監測系統［J］．電子技術應用，2013，39（3）：96-99．

［8］牛星，李捷，周新運．無線傳感器網絡節點能耗測量及分析［J］．計算機科學，2012，39（2）：84-87．

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點設計［J］.微型機與應用，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：計算機網絡、嵌入式系統。E-mail：list2005@163.com。

河南省科技廳科技攻關計劃項目（122102310443）