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PT100配合電橋方案。三線制PT100通過電橋電路實現溫度信號的提取，這樣不僅可以通過改變引線的長短實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調整其放大倍數，滿足測量放大要求。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。

原始信號經過放大后再經過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關ADG758。8選1多路模擬開關ADG758專為低功耗所設計，通過ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實現三線譯碼選通，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，為實現大規模傳感器網絡測量土壤梯度溫度、水分參數提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經過恒溫箱標定后，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、準確、連續測量等優點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監測土壤水分變化，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，經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 無線數據通信電路

CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee協議的射頻芯片，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芯片類似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協議棧，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交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統開發的復雜度，可以更好地支持多傳感器智能網絡的實現。CC2480可以在ZigBee無線網絡中擔任終端設備節點、路由節點、協調器節點，在網絡中的通用性強，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模塊進行編寫設計，主體循環就是對各個功能函數進行調用，完成系統的數據采集、處理以及無線通信與發送。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集成開發環境下完成開發和最終調試。

主要的函數包括主函數、溫度測量、水分測量、溫度測量線性化校正、數據發送格式處理、無線數據傳輸等功能塊，以及RS232/RS485底層驅動。溫度測量功能塊實現的是對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際水分值，并進行存儲;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;數據發送格式處理功能塊完成對土壤溫度、水分數據的打包處理;無線數據傳輸功能塊主要是通過對CC2480協處理器的控制函數和協議棧的調用完成數據的無線發送。各個子函數之間保持各自獨立完整性，能在主函數中實現無縫調用。

為了適應于無人值守的野外使用，應適當的設置好看門狗定時時間。同時為了節約能耗、延長電池壽命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在進行A/D轉換時可選用低頻率時鐘以及關閉CPU，或者在CPU數據處理時關閉ADC。在不需要測量時，系統可進入極低功耗模式節省能耗。測量節點程序流程如圖7所示。

結語

本土壤溫度、水分梯度測量系統，通過特殊土壤梯度方式鋪設土壤溫度、水分傳感器，實現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，可滿足大規模布設的要求。通過相應的軟件校正消除非線性誤差，在一定范圍內提升到比較高的測量精度，滿足了設計要求。前端多路土壤傳感器信號通過低功耗多路模擬開關依次選通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A/D轉換通道進行A/D轉換。各個傳感器節點自動與數據采集節點組網最終完成測量所得數據的無線傳輸。通過對MSP430F149的低功耗模式配合，各個低功耗器件實現了對整體系統的能耗控制，也為野外無人值守情況下的長時間電池供電提供了保障。本系統可適用于大規模野外無人值守情況下的土壤溫度、水分連續自動監測以及農業土壤環境檢測等多種場合。