淺析基于CC2480的水分梯度測量系統設計方案

綜合比較，采用三線(xiàn)PT100配合電橋方案。三線(xiàn)制PT100通過(guò)電橋電路實(shí)現溫度信號的提取，這樣不僅可以通過(guò)改變引線(xiàn)的長(cháng)短實(shí)現對測量結果的影響，還能很好地避免溫度對測溫電路的影響。電橋測得的差分信號接入到低功耗儀表放大器AD8226的輸入端，該款儀表放大器來(lái)自ADI公司，專(zhuān)為多通道、低功耗前端微信號放大使用，具有出色的共模抑制比、極低的偏置電流以及軌到軌輸出。通過(guò)外接精密電阻RG調整其放大倍數，滿(mǎn)足測量放大要求。其正電源接5 V電壓，負電源接地，為了減少干擾，接有0.1μF的去耦電容。

原始信號經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)過(guò)AD8226的Vref(1 V)抬升電壓，抬升至適合數模轉換參考電壓范圍內，輸入到前級外置多路低功耗模擬開(kāi)關(guān)ADG758。8選1多路模擬開(kāi)關(guān)ADG758專(zhuān)為低功耗所設計，通過(guò)ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實(shí)現三線(xiàn)譯碼選通，來(lái)控制各個(gè)傳感器通道的選通使用。模擬開(kāi)關(guān)ADG758的輸出端D與MSP430F149的內置高精度12位模數轉換器相連接，節約了額外的模數轉換芯片，從而降低了成本，為實(shí)現大規模傳感器網(wǎng)絡(luò )測量土壤梯度溫度、水分參數提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經(jīng)過(guò)恒溫箱標定后，所需測量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測量誤差為±0.4℃。

土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類(lèi)型土壤水分傳感器。這種測量方法與烘干稱(chēng)重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準確、連續測量等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須擾動(dòng)土壤。同時(shí)，能夠自動(dòng)監測土壤水分變化，性能出色，且價(jià)格相對低廉、沒(méi)有放射性污染。該FDR土壤水分傳感器輸出0～5 V的電壓信號，通過(guò)高精密電阻采樣信號，送入多路模擬開(kāi)關(guān)，經(jīng)A/D轉換成數字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。

2.2 無(wú)線(xiàn)數據通信電路

CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee協(xié)議的射頻芯片，具有較低的功耗，在待機模式下只有低于0.6μA的電流損耗。與其前代CC2430芯片類(lèi)似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協(xié)議棧，并且支持TI公司的10個(gè)Simple API，通過(guò)SPI/UART接口可以和任意一款主控芯片之間實(shí)現交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統開(kāi)發(fā)的復雜度，可以更好地支持多傳感器智能網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現。CC2480可以在ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中擔任終端設備節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、協(xié)調器節點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò )中的通用性強，應用范圍廣。CC2480接口電路如圖6所示。

3 系統軟件設計

系統軟件部分的設計主要是按功能塊劃分為若干個(gè)模塊進(jìn)行編寫(xiě)設計，主體循環(huán)就是對各個(gè)功能函數進(jìn)行調用，完成系統的數據采集、處理以及無(wú)線(xiàn)通信與發(fā)送。整個(gè)軟件的編寫(xiě)使用的是靈活性強、可讀性和可移植性強的C語(yǔ)言，在IAR for MSP430集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成開(kāi)發(fā)和最終調試。

主要的函數包括主函數、溫度測量、水分測量、溫度測量線(xiàn)性化校正、數據發(fā)送格式處理、無(wú)線(xiàn)數據傳輸等功能塊，以及RS232/RS485底層驅動(dòng)。溫度測量功能塊實(shí)現的是對PT100電橋測溫電路的模數轉換并存儲轉換結果功能;水分測量功能塊負責將對應的電壓信號轉化成實(shí)際水分值，并進(jìn)行存儲;溫度測量線(xiàn)性化校正功能塊通過(guò)查詢(xún)鉑熱電阻的線(xiàn)性校正表來(lái)提高溫度測量的精度;數據發(fā)送格式處理功能塊完成對土壤溫度、水分數據的打包處理;無(wú)線(xiàn)數據傳輸功能塊主要是通過(guò)對CC2480協(xié)處理器的控制函數和協(xié)議棧的調用完成數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送。各個(gè)子函數之間保持各自獨立完整性，能在主函數中實(shí)現無(wú)縫調用。

為了適應于無(wú)人值守的野外使用，應適當的設置好看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間。同時(shí)為了節約能耗、延長(cháng)電池壽命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在進(jìn)行A/D轉換時(shí)可選用低頻率時(shí)鐘以及關(guān)閉CPU，或者在CPU數據處理時(shí)關(guān)閉ADC。在不需要測量時(shí)，系統可進(jìn)入極低功耗模式節省能耗。測量節點(diǎn)程序流程如圖7所示。

結語(yǔ)

本土壤溫度、水分梯度測量系統，通過(guò)特殊土壤梯度方式鋪設土壤溫度、水分傳感器，實(shí)現對于立體式土壤溫度、水分的測量。選用了廉價(jià)可靠、性能出色的傳感器，可滿(mǎn)足大規模布設的要求。通過(guò)相應的軟件校正消除非線(xiàn)性誤差，在一定范圍內提升到比較高的測量精度，滿(mǎn)足了設計要求。前端多路土壤傳感器信號通過(guò)低功耗多路模擬開(kāi)關(guān)依次選通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A/D轉換通道進(jìn)行A/D轉換。各個(gè)傳感器節點(diǎn)自動(dòng)與數據采集節點(diǎn)組網(wǎng)最終完成測量所得數據的無(wú)線(xiàn)傳輸。通過(guò)對MSP430F149的低功耗模式配合，各個(gè)低功耗器件實(shí)現了對整體系統的能耗控制，也為野外無(wú)人值守情況下的長(cháng)時(shí)間電池供電提供了保障。本系統可適用于大規模野外無(wú)人值守情況下的土壤溫度、水分連續自動(dòng)監測以及農業(yè)土壤環(huán)境檢測等多種場(chǎng)合。