淺析基于CC2480的水分梯度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

綜合比較，采用三線PT100配合電橋方案。三線制PT100通過(guò)電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的提取，這樣不僅可以通過(guò)改變引線的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，還能很好地避免溫度對(duì)測(cè)溫電路的影響。電橋測(cè)得的差分信號(hào)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(hào)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(diào)整其放大倍數(shù)，滿足測(cè)量放大要求。其正電源接5 V電壓，負(fù)電源接地，為了減少干擾，接有0.1μF的去耦電容。

原始信號(hào)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(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓范圍內(nèi)，輸入到前級(jí)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(shè)計(jì)，通過(guò)ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實(shí)現(xiàn)三線譯碼選通，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(nèi)置高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，節(jié)約了額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，從而降低了成本，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量土壤梯度溫度、水分參數(shù)提供了可能。傳感器測(cè)溫電路如圖4所示。經(jīng)過(guò)恒溫箱標(biāo)定后，所需測(cè)量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測(cè)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(cè)量方法與烘干稱(chēng)重法、中子儀測(cè)量法、TDR等土壤水分測(cè)量方法相比較，具有快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須擾動(dòng)土壤。同時(shí)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分變化，性能出色，且價(jià)格相對(duì)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(hào)，通過(guò)高精密電阻采樣信號(hào)，送入多路模擬開(kāi)關(guān)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)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)線數(shù)據(jù)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(jī)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(xiàn)交互通信。使用靈活性強(qiáng)，大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，可以更好地支持多傳感器智能網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。CC2480可以在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中的通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。CC2480接口電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是按功能塊劃分為若干個(gè)模塊進(jìn)行編寫(xiě)設(shè)計(jì)，主體循環(huán)就是對(duì)各個(gè)功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理以及無(wú)線通信與發(fā)送。整個(gè)軟件的編寫(xiě)使用的是靈活性強(qiáng)、可讀性和可移植性強(qiáng)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(diào)試。

主要的函數(shù)包括主函數(shù)、溫度測(cè)量、水分測(cè)量、溫度測(cè)量線性化校正、數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軌K，以及RS232/RS485底層驅(qū)動(dòng)。溫度測(cè)量功能塊實(shí)現(xiàn)的是對(duì)PT100電橋測(cè)溫電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果功能;水分測(cè)量功能塊負(fù)責(zé)將對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成實(shí)際水分值，并進(jìn)行存儲(chǔ);溫度測(cè)量線性化校正功能塊通過(guò)查詢鉑熱電阻的線性校正表來(lái)提高溫度測(cè)量的精度;數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理功能塊完成對(duì)土壤溫度、水分?jǐn)?shù)據(jù)的打包處理;無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能塊主要是通過(guò)對(duì)CC2480協(xié)處理器的控制函數(shù)和協(xié)議棧的調(diào)用完成數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。各個(gè)子函數(shù)之間保持各自獨(dú)立完整性，能在主函數(shù)中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫調(diào)用。

為了適應(yīng)于無(wú)人值守的野外使用，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置好看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間。同時(shí)為了節(jié)約能耗、延長(zhǎng)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(zhuǎn)換時(shí)可選用低頻率時(shí)鐘以及關(guān)閉CPU，或者在CPU數(shù)據(jù)處理時(shí)關(guān)閉ADC。在不需要測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)入極低功耗模式節(jié)省能耗。測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序流程如圖7所示。

結(jié)語(yǔ)

本土壤溫度、水分梯度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)特殊土壤梯度方式鋪設(shè)土壤溫度、水分傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于立體式土壤溫度、水分的測(cè)量。選用了廉價(jià)可靠、性能出色的傳感器，可滿足大規(guī)模布設(shè)的要求。通過(guò)相應(yīng)的軟件校正消除非線性誤差，在一定范圍內(nèi)提升到比較高的測(cè)量精度，滿足了設(shè)計(jì)要求。前端多路土壤傳感器信號(hào)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(zhuǎn)換通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)最終完成測(cè)量所得數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。通過(guò)對(duì)MSP430F149的低功耗模式配合，各個(gè)低功耗器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體系統(tǒng)的能耗控制，也為野外無(wú)人值守情況下的長(zhǎng)時(shí)間電池供電提供了保障。本系統(tǒng)可適用于大規(guī)模野外無(wú)人值守情況下的土壤溫度、水分連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境檢測(cè)等多種場(chǎng)合。