淺析基于CC2480的水分梯度測量系統(tǒng)設(shè)計方案

綜合比較，采用三線PT100配合電橋方案。三線制PT100通過電橋電路實現(xiàn)溫度信號的提取，這樣不僅可以通過改變引線的長短實現(xiàn)對測量結(jié)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，該款儀表放大器來自ADI公司，專為多通道、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。通過外接精密電阻RG調(diào)整其放大倍數(shù)，滿足測量放大要求。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。

原始信號經(jīng)過放大后再經(jīng)過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)，輸入到前級外置多路低功耗模擬開關(guān)ADG758。8選1多路模擬開關(guān)ADG758專為低功耗所設(shè)計，通過ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實現(xiàn)三線譯碼選通，來控制各個傳感器通道的選通使用。模擬開關(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，為實現(xiàn)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)測量土壤梯度溫度、水分參數(shù)提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經(jīng)過恒溫箱標(biāo)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)類型土壤水分傳感器。這種測量方法與烘干稱重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測量等優(yōu)點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監(jiān)測土壤水分變化，性能出色，且價格相對低廉、沒有放射性污染。該FDR土壤水分傳感器輸出0～5 V的電壓信號，通過高精密電阻采樣信號，送入多路模擬開關(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芯片類似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協(xié)議棧，并且支持TI公司的10個Simple API，通過SPI/UART接口可以和任意一款主控芯片之間實現(xiàn)交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度，可以更好地支持多傳感器智能網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)。CC2480可以在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任終端設(shè)備節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)中的通用性強，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

系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計主要是按功能塊劃分為若干個模塊進(jìn)行編寫設(shè)計，主體循環(huán)就是對各個功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理以及無線通信與發(fā)送。整個軟件的編寫使用的是靈活性強、可讀性和可移植性強的C語言，在IAR for MSP430集成開發(fā)環(huán)境下完成開發(fā)和最終調(diào)試。

主要的函數(shù)包括主函數(shù)、溫度測量、水分測量、溫度測量線性化校正、數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軌K，以及RS232/RS485底層驅(qū)動。溫度測量功能塊實現(xiàn)的是對PT100電橋測溫電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果功能;水分測量功能塊負(fù)責(zé)將對應(yīng)的電壓信號轉(zhuǎn)化成實際水分值，并進(jìn)行存儲;溫度測量線性化校正功能塊通過查詢鉑熱電阻的線性校正表來提高溫度測量的精度;數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理功能塊完成對土壤溫度、水分?jǐn)?shù)據(jù)的打包處理;無線數(shù)據(jù)傳輸功能塊主要是通過對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)的無線發(fā)送。各個子函數(shù)之間保持各自獨立完整性，能在主函數(shù)中實現(xiàn)無縫調(diào)用。

為了適應(yīng)于無人值守的野外使用，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置好看門狗定時時間。同時為了節(jié)約能耗、延長電池壽命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時可選用低頻率時鐘以及關(guān)閉CPU，或者在CPU數(shù)據(jù)處理時關(guān)閉ADC。在不需要測量時，系統(tǒng)可進(jìn)入極低功耗模式節(jié)省能耗。測量節(jié)點程序流程如圖7所示。

結(jié)語

本土壤溫度、水分梯度測量系統(tǒng)，通過特殊土壤梯度方式鋪設(shè)土壤溫度、水分傳感器，實現(xiàn)對于立體式土壤溫度、水分的測量。選用了廉價可靠、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)提升到比較高的測量精度，滿足了設(shè)計要求。前端多路土壤傳感器信號通過低功耗多路模擬開關(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。各個傳感器節(jié)點自動與數(shù)據(jù)采集節(jié)點組網(wǎng)最終完成測量所得數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過對MSP430F149的低功耗模式配合，各個低功耗器件實現(xiàn)了對整體系統(tǒng)的能耗控制，也為野外無人值守情況下的長時間電池供電提供了保障。本系統(tǒng)可適用于大規(guī)模野外無人值守情況下的土壤溫度、水分連續(xù)自動監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境檢測等多種場合。