摘 要： 土壤含水量的准确测定是实现节水灌溉和精准农业的基础。为实现土壤水分的自动测量和无线传输，基于FDR和CC2530芯片设计了无线土壤水分传感器节点。FDR实现了快速、精确的土壤含水量测量，CC2530完成模数转换、数字信号处理和射频信号的发送等工作。讨论了节点的低功耗问题，最后对节点进行了丢包率测试。试验结果表明：所设计开发的基于CC2530的传感器节点具有丢包率低、运行稳定可靠的特点，能够满足土壤水分的无线数据采集的要求。
0 引言
采用自动灌溉系统可以根据土壤的水分含量确定浇灌的时间和次数，有效地减少水资源的浪费，提高作物产量。能否实现对土壤含水量的精确测量，是设计自动灌溉系统的关键。土壤水分含量的测量方法，目前主要为采用烘干称重、张力计、中子水分计和时域反射仪（TDR）、频域发射仪（FDR）等测量方法[1]。目前广泛采用的测量土壤含水量的方法是使用TDR或FDR测量土壤的介电常数，并利用介电常数与含水率之间存在的关系转化为土壤含水量。
灌溉自动化的建设迫切需要自动化的土壤水分传感器，以获取实时、精确的土壤水分数据。FDR法因其获取数据方便、直观、快捷并可实现持续观测等特点，得到了较快的发展应用[2-3]。目前大多数土壤水分检测设备是以有线的方式进行数据传输，在土壤墒情监测中，通常需要大范围测量土壤水分，需铺设长距离的通信线路，导致成本高、维护困难、工作效率低等问题。无线网络技术的发展为设计无线土壤传感器提供了可能。无线传感器节点具有部署方便、传输距离远、数据安全可靠等特点。国内外也相续开展了一些这方面的研究，大多是使用GPRS技术或分离的单片机和射频模块来构建无线通信系统。
本文提出了一种使用FDR土壤水分传感器和CC2530单片机设计的土壤含水量检测节点，具有快速、便携的特点，可以与其他节点组成无线传感器网络，在更大的范围内实现对区域土壤含水量的测量。
1 系统的硬件设计
土壤水分传感器节点的组成如图1所示。它由电源电路、土壤水分传感器、信号调理电路、CC2530模块等组成。节点可以实现土壤水分的检测、数据的变换、射频的发送等功能。节点采用锂电池供电。土壤水分传感器获取与介电常数成正比的电压，信号调理电路对来自传感器的数据进行电源监测、数据取样，最后由CC2530模块对数据进行AD转换、矫正和融合，然后将数据射频发送到网关。
土壤水分传感器节点也可以响应网关节点发送的查询命令，可以将单次测量的实时数据及节点的状态信息发送给网关，提高了节点的响应速度。
1.1 土壤水分传感器的选型
FDR根据特定频率的电磁波在土壤中传播来测试土壤的介电常数，FDR的一对电极组成一个电容，其间的土壤充当电介质，电极之间的水分的变化会直接影响电容的介电常数发生变化。当高频信号源加到电路上时，LC振荡器的震荡频率会发生变化，高频信号经过变换后可以得到反映介电常数变化的电压信号。由此可以通过测量土壤的介电常数获取土壤的含水量[4]。土壤含水量θ与介电常数ε的关系式为：
θ=-0.53×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+4.3×10-6ε3（1）
节点使用高精度标准土壤水分传感器FDS-100。FDS-100由电源模块、变送模块、漂零及温度补偿模块、数据处理模块等组成。传感器内置信号采样及放大、漂零及温度补偿功能。量程：0～100%，测量精度：±3%，测量主频：100 MHz，工作电压：5～12 V，工作电流：21～26 mA，输出信号：0～2 VDC。FDS-100输出特征曲线如图2所示。
从输出特征曲线可以看出，当土壤水分含水量在40%以下时，输出电压与土壤含水量有很好的线性关系。
1.2 信号调理电路
调理电路完成对水分传感器的连接和控制。电路如图3所示。水分传感器的电压输出直接连接到CC2530的P1.1引脚。为了降低传感器的能耗，对传感器的供电电压加了一个开关管进行控制。当CC2530的P1.2引脚输出高电平时，开关管Q1导通，电源对传感器供电。
节点在长时间工作后，电池电压会降低，影响测试数据的准确性和无线信号的传送距离，因此需要实时监测电源供电电压。电路设计了一个电源监控输出端，传感器电源经分压后送到CC2530的A/D转换电路，微处理器可以监测电源电压值，当电源降至某一设定值后将给出提示信号。
1.3 CC2530单片机
系统采用TI公司的CC2530单片机作为主控芯片，CC2530内部集成有2.4 GHz符合IEEE 802.15.4规范的DSSS（直接序列扩频）射频收发器，具有优良的无线接收灵敏度和抗干扰性，以及一个增强型8051微控制器。CC2530具有256 KB的可编程Flash以及8 KB的RAM。芯片还集成了8通道12位ADC（模数转换器），128位AES加密解密安全协处理器，休眠模式定时器等。CC2530具有集成度高、抗干扰能力强、功耗低等特性，在无线传感器节点的设计中得到了比较广泛的应用[5-6]。
1.4 节点供电电源
电源主要为CC2530单片机、传感器等供电。CC2530的供电电压是3.3 V，传感器的最小供电电压是5 V，系统使用电压为5 V的锂电池为节点供电。由于节点各个组成部分的电压不同，需要使用电平转换电路获取多个不同电平。使用的电平转换芯片为TPS79533，输入电平为2.7~5.5 V，输出为3.3 V。节点电源模块如图4所示。
2 系统的软件设计
2.1 基于事件的任务设计
软件系统基于TI的ZigBee协议栈Z-Stack实现。Z-Stack按照分层的结构来实现软件功能，Z-Stack协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层，每一层的函数都严格按照ZigBee协议栈IEEE802.15.4标准编写[7]。在协议栈内部嵌入了一个精简的操作系统，实现对任务的统一调度。操作系统向用户提供统一的接口，方便用户进行应用程序的开发。系统软件的开发通过基于事件的任务机制来实现。将系统的各个功能划分为不同的任务，每个任务都有自己的初始化和处理函数，任务之间通过事件进行通信。事件分为系统事件和用户自定义事件。在每个任务中，要实现针对用户自定义事件的处理函数。土壤水分传感器节点发送数据的流程图如图5所示。
土壤水分传感器上电后首先进行初始化工作，检测周围有无可用的ZigBee网络，如果有，就加入并获得网络地址。节点根据设定的时间间隔读取传感器的数据。在未接收到查询命令时，节点每小时采集一次土壤水分数据，连续采集10次数据后向网关发送一次数据。如果接到来自网关的查询命令，则会实时向网关节点发送数据。这样的设计方式，可以保证系统实时和降低能耗的要求。
2.2 节点通信协议
程序设计在应用层上实现，通过网络协议提供的标准函数实现数据发送。数据以数据帧的格式发送，在一帧数据中，除了传感器数据外，还要附加一些状态信息和控制信息。数据帧有两种格式，一种是完成10次测量后发送到网关的集成数据帧，其格式如表1所示；另外一种格式是接收到网关查询命令后发送到网关的实时数据帧，其格式如表2所示。
2.3 低功耗设计方法
土壤水分传感器节点的功耗主要来自两个方面：CC2530的功耗和传感器功耗。CC2530的功耗包括芯片的待机功耗、发射功耗/接收功耗和运算功耗。其中待机工作电流为0.6 mA，功耗为1.8 mW。接收数据时工作电流为21.1 mA，功耗为63.3 mW。发送数据时，节点的发送功耗与发送分组的长度和射频发送功率均有密切的关系[8]，当射频发送功率为0 dBm，发送数据包中应用数据为26 B（集成数据帧）时，实测95.7 mA。如果采用每采集一次数据即发射一次的方式，这时的应用数据长度（实时数据帧）为8 B，这时发送一次的功耗是58.7 mW，连续发送10个数据的总的功耗是587 mW，远大于一次发送10 B的功耗。
传感器的工作电流为21 mA，功耗为105 mW。
土壤水分传感器节点采用锂电池供电，由于传感器的工作电流大，为延长电池的工作时间，将采集数据的时间间隔设计为每小时采集1次数据。节点只在查询时才会接收数据，且节点在正常工作时，查询操作的概率较低，这部分的能耗可以忽略。为减少发送数据的次数，每次采集数据后并不是立即发送到网关，而是完成10次测量后将数据打包发送。
3 节点性能测试
3.1 传感器土壤水分测试结果
取粘土一份，加水配置成不同含水量的待测土壤样本。在室温23℃，传感器节点与网关节点距离20 m条件下进行测试，每个样本测量10次，取其平均值，进行了5批次的测量。网关节点读取的土壤水分数据如表3所示，与之对应的测量曲线如图6所示。由图6可知，输出电压与土壤湿度保持了很好的线性度。
3.2 丢包率测试
数据包在传送过程中由于受到传输距离、节点电压、周围环境等因素的影响，会出现程度不同的丢包率。在空旷地带，CC2530距地面高度1.2 m，晴天，电池电压5.3 V，射频发送频率2.4 GHz情况下对节点的数据传输丢包率进行了测试，丢包率与距离的关系如表4所示。
从测试结果可以看出，随着距离的增加，丢包率上升。传感器节点与网关节点距离在40 m以内，无丢包，信号传输稳定可靠；当移动至50 m处时，开始出现丢包，信号出现不稳定；当节点移动至100 m时，传感器节点无法建立与网关的网络连接，数据传输失败。
当传感器数据的丢包率高于30%时，无法有效通信。
4 结论
本文设计了满足土壤水分测量需要的土壤水分传感器节点，实现了软硬件设计，特别是传感器的信号处理电路以及基于事件的任务程序设计，并对系统的低功耗设计进行了讨论。试验结果表明：系统在开阔环境下，40 m范围内能够实现良好的通信。可以从电路设计、软件编程等方面采取措施减少系统的功耗。
参考文献
[1] 王吉星，孙永远．土壤水分监测传感器的分类与应用[J]．水利信息化，2010（5）：37-41．
[2] 张瑞瑞，赵春江，陈立平．农田信息采集无线传感器网络节点设计[J]．农业工程学报，2009，25（11）：213-218．
[3] 何大伟，鲁翠萍，王儒敬.基于MSP430单片机的土壤水分测量系统开发[J].仪表技术，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] 许东，操文元，孙茜．基于CC2530的环境监测无线传感器网络节点设计[J]．计算机应用，2013，33（S2）：17-20，24．
[6] 章伟聪，俞新武，李忠成．基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]．计算机系统应用，2011，20（7）：184-187，120．
[7] 石繁荣，黄玉清，任珍文．基于ZigBee的多传感器物联网无线监测系统[J]．电子技术应用，2013，39（3）：96-99．
[8] 牛星，李捷，周新运．无线传感器网络节点能耗测量及分析[J]．计算机科学，2012，39（2）：84-87．