【正文】 機(jī)理無關(guān)。 tdr 土壤水分傳感器測量土壤的介電常數(shù)，直接穩(wěn)定地測量各種土 壤的真實(shí)水分含量。 數(shù)據(jù)采集 （ 1）土壤濕度采集： 數(shù)據(jù)采集包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩 大 部分，使用耐腐蝕土壤濕度專用傳感器和 MAX1301 高速率 ADC 搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的方式通過 SPI 總線模式送入中心控制單元。每一個(gè)字節(jié)都要逐個(gè)進(jìn)行處理，即從它的前同步碼字段開始到最后一個(gè)字節(jié)。根據(jù)所發(fā)送的連續(xù)的數(shù)據(jù)信息將所選出的 PN 序列串連接起來，并使用 FSK 的調(diào)制方法將這些集合在一起的序列調(diào)制到載波上。每 1 個(gè)字節(jié)信息分為2 個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)包括 4 比特。擴(kuò)展調(diào)制功 能如圖 29 所示 [6]。 典型的外圍電路配置如圖 28 所示 硬件可支持自動(dòng)幀可是生成、同步插入與檢測、 10 比特的 CRC校驗(yàn)、電源檢測以及完全自動(dòng) MAC 層保護(hù)（ CTR、 CBCMAC 和 CCM）。 采用低電壓供電（ ~）。 抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)（ 39dB）。 吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 采用 OQPSK 調(diào)制方式。 采用 規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式。通過數(shù) /模轉(zhuǎn)化把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)發(fā)送出去。接受數(shù)據(jù)存放在一個(gè)接受先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)。在接受模式中可以用中斷來使用清除 通道評(píng)估（ CCA）。 CRC 校驗(yàn)使用硬件實(shí)現(xiàn)。使用“先進(jìn)先出”方式讀取數(shù)據(jù)需要通過特殊功能寄存器接口。在中頻 2MHz 中，當(dāng) ADC 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，輸入 /增益調(diào)相信號(hào)被過濾和放大。 CC2430 無線收發(fā) CC2430 的無線接收器是一個(gè)低中頻接收器。否則寄存器 ADCCFG 的各為處始值是 0，則不當(dāng)作 ADC 輸入使用。這個(gè)ADC 包括一個(gè)參考電壓發(fā)生器、 8 個(gè)獨(dú)立可配置通道、電壓發(fā)生器和通過 DMA 模式把轉(zhuǎn)化結(jié)果寫入內(nèi)存的控制器。 由于 AES 協(xié)處理器加密的數(shù)據(jù)都是以 128 位 為一組的，因此當(dāng)一組數(shù)據(jù)不足 128位的時(shí)，必須在后面添加 0 后才能把數(shù)據(jù)送至協(xié)處理器加密。 AES 安全協(xié)處理器工作在 128 位。 CC2430 包括 4 個(gè)定時(shí)器： 1 個(gè)一般的 16 位定時(shí)器和 2 個(gè) 8 位定時(shí)器，支持典型的定時(shí) /計(jì)數(shù)功能；一個(gè) 16 位 MAC 定時(shí)器，用于為 的 CSMACA 算法以及 的 MAC 層提供定時(shí)。這樣，傳輸數(shù)據(jù)速度上限取決于存儲(chǔ)器的速度。這條數(shù)據(jù)通道在 DMA 控制器硬件的控制下，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而不通過 8051 內(nèi)核，不用 I/O 指令。外部中斷功能也可以喚醒休眠模式。 這些引腳都可以作為通用 I/O 端口，同時(shí)通過獨(dú)立編程還可以作為特殊功能的輸 入 /輸出，通過軟件設(shè)置還可以改變引腳的輸入 /輸出硬件狀態(tài)配置。 圖 26 CC2430 引腳示意圖 Fig. 26 Pinout top view of CC2430 CC2430 包括 3 個(gè) 8 位輸入 /輸出端口，分別為 P0、 P P2。它使用 1 個(gè) 8 位 MCU（ 8051），具有 32/64/128 KB 可編程閃存和 8KB 的 RAM，還包括 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC）、幾個(gè)定時(shí)器、 AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器、 32 kHz 晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路以及 21 個(gè)可編程 I/O 引腳。 ④ 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng) zigbee 的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； zigbee 自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。 [4] 盡管 ZigBee 常常被默認(rèn)為無線 網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)，但該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包括星型、簇樹?(cluster tree)或星 /網(wǎng)格混合型網(wǎng)絡(luò) (如圖 24 所示 ) ZigBee 技術(shù)優(yōu)勢 ① 數(shù)據(jù)傳輸速率低： 10KB/秒 ~250KB /秒，專注于低傳輸應(yīng)用 ② 功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通 5 號(hào)電池可使用 6~24 個(gè)月 ③ 成本低： ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本 ④ 網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納 65,000 個(gè)設(shè)備 ⑤ 時(shí)延短：典型搜索設(shè)備時(shí)延為 30ms，休眠激活時(shí)延為 15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為 15ms。 ZigBee 協(xié)議 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)提供了網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用支持服務(wù)，這些服務(wù)工作在 IEEE 媒體存取控制 (MAC)和物理層 (PHY)無線標(biāo)準(zhǔn)之上。 圖 23 ZigBee 協(xié)議棧示意 圖 [2] Fig. 23 Agreement inn sketch map of ZigBee 應(yīng)用層 /行規(guī) 應(yīng)用構(gòu)架 網(wǎng)絡(luò) /安全 層 MAC 子層 物理層 ZigBee 或 OEM ZigBee 聯(lián)盟平臺(tái) 應(yīng)用層 ZigBee 平臺(tái)通信棧 硬件實(shí)現(xiàn) 吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 網(wǎng)絡(luò)建設(shè) —— ZigBee無線傳輸 技術(shù) 介紹 ZigBee 與 IEEE ZigBee 是一組基于 IEEE 無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的、有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)， IEEE 僅處理 MAC 層和物理層協(xié)議， ZigBee 聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化 [3]。 硬件 設(shè)計(jì) 與物理實(shí)現(xiàn) 本部分將不重點(diǎn)介紹 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法，只簡單介紹 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)及特點(diǎn) 。在 A/D 轉(zhuǎn)換方面，我們采用美信公司生產(chǎn)的 MAX1301A芯片，它能完好的將電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且可以直接和 +~+ 設(shè)備相連接，這樣與 CC2430 就可以方便的結(jié)合，再加上 MAX1301A 具有完全關(guān)閉模式，這樣 就可以配合 CC2430 的休眠模式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端的同時(shí)休眠模式，可以將功耗降至最低。本身傳感器的 12V 電壓也不利于 功耗降低，對(duì)整體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不利。 在對(duì)濕度傳感器 的應(yīng)用方面我們考慮了以下兩種方案： 方案一： 使用 12V、電源供電的 傳感器，得到的模擬信號(hào)為 0~12V，而我們的控制單元 CC2430 電壓范圍是 2~ 這樣在模擬與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換方面就產(chǎn)生了困難要么使用信號(hào)壓縮的方法將其轉(zhuǎn)換為 的模擬信號(hào)后再進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，但是這樣將會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差大。它同電阻法相比，受土壤鹽分的影響較小。此外，由于感濕元件具有一定的滯后作用，往往不能及時(shí)反映土壤水分現(xiàn)狀。將感濕元件埋設(shè)在土壤中某一定點(diǎn)上，使其同土壤保持緊密接觸，以便感濕元件的水分與土壤水分達(dá)到平衡，由于感濕元件的電阻值與其含水量具有一定關(guān)系，測量感濕元件的電阻值可以得到感濕元件的濕度 ，從而間接求得土壤濕度。 吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 ⑤ 電阻 /電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng) 電阻 /電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)包括電阻式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)和電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，它們分別以電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器為基礎(chǔ)。 ④ 時(shí)域反射儀 時(shí)域反射儀 (TDR儀 )，利用時(shí)域反射原理定點(diǎn)測量某一土層內(nèi)的土壤水分情況。 ③ γ透射儀 γ透射儀利用 γ射線透射土壤后的衰減程度來測定土壤水分狀況。土孔上下移動(dòng)即可測定不同高程點(diǎn)的土壤含水量。此外，負(fù)壓計(jì)具有滯后性，往往不能及時(shí)反映土壤水分狀況，在土壤干燥過程中尤為顯著。負(fù)壓計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，因此使用較為廣泛。 我們總結(jié) 一下 土壤墑情監(jiān)測 的方法如下： ① 負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng) 負(fù)壓計(jì)，又稱張力計(jì)，以測量土壤負(fù)壓 (張力 )來顯示土壤水分狀況。 IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在 2 臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備（如PDA、手機(jī)）上被廣泛使用。 IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場合的推廣和應(yīng)用。 WiFi 規(guī)定了協(xié)議的物理（ PHY）層和媒體接入控制（ MAC）層，并依賴 TCP/ IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。IEEE802 .11 流行的幾個(gè)版本包括“ a”（在 波段帶寬為 54MBps）、“ b”（波段 帶寬為 11MBps）、“ g”（波段 帶寬為 22MBps）。主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要 中心控制單元 CC2430 OLED 顯示屏 ADC MAX1301 TDR 土壤濕度傳感器 DS18B20 土壤溫度傳感器 SHT11 空氣溫度傳感器 按鍵控制 G天線 吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率也是 。 WiFi （ Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。為對(duì)語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供 250kB 系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。它的工作頻率為 ，有效范圍大約在 10m 半徑內(nèi)。 藍(lán)牙（ BlueTooth）最早是愛立信在 1994 年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無線模塊。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。它同樣使用 波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。 本系統(tǒng)的終端設(shè)備框圖如圖 22 所示， 這部分內(nèi)容將作為本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)研究。 節(jié)約了 CC2430 的端口充分利用了內(nèi)部的剩余資源（內(nèi)部 ADC）。 按鍵采用 了上、下、左、右四個(gè)方向鍵 和確認(rèn)、取消兩個(gè)功能鍵作 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分使用的 AT24C08 支持 I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議 。 數(shù)據(jù)顯示部分通過 OLED 屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù) 。 ③ SHT11 空氣溫濕度采集模塊。 數(shù)據(jù)采集部分包括 三個(gè)大部分： ① TDR 土壤濕度 傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換 ： 使用 耐腐蝕 TDR 土壤濕度傳感器和MAX1301 高速率 A/D 轉(zhuǎn)換搭建完成， 可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的方式通過 SPI吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 Zigbee 路由節(jié)點(diǎn) Zigbee 終端 節(jié)點(diǎn) Zigbee 中繼節(jié)點(diǎn) 土壤溫度采集模塊 土壤濕度采集模塊 PC 檢測 空氣溫濕度采集模塊 無線傳輸 有線傳輸 總線模式送入中心控制單元。 中心控制單元主要是 CC2430 無線 片上系統(tǒng) ， 強(qiáng)大的功能優(yōu)勢足以滿足系統(tǒng)的全部需求。這種方法簡便有效（只需要安裝一個(gè)程控繼電器即可），誤差較低。設(shè)計(jì)中選擇了從計(jì)算機(jī)平臺(tái)中“偷取數(shù)據(jù)”的辦法實(shí)現(xiàn)獲得采樣與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系。我們的工作就是需要從它的原有計(jì)算機(jī)平臺(tái)中取出對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后才能夠?qū)鞲衅魍ㄟ^終端設(shè)備獨(dú)立使用，告別計(jì)算機(jī)。 鑒于 ZigBee 技術(shù)的諸多優(yōu)勢，本次設(shè)計(jì) 將采用這一組網(wǎng)方式，硬件設(shè)備采用 德州儀器生產(chǎn)的無線單片機(jī) CC2430 為核心部件 ， 它是 世界上首個(gè)真正的單芯片 ZigBee 解決方案，是世界上第一個(gè)真正意義上的 SoCZigBee 一站式產(chǎn)品，具有芯片可編程閃存以及通過認(rèn)證的 ZigBee TM 協(xié)議棧，它們都集成在一個(gè)硅片內(nèi) ， 方便日后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。 ZigBee 采取了 IEEE 強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)：省電、簡單、成本又低的規(guī)格； ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。 ZigBee 過去又稱為 “ HomeRF Lite”、“ RFEasyLink”或“ FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為 ZigBee 技術(shù)。使用 AT24C08 串行 EEPROM 將數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)在設(shè)備終 端，即便網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者設(shè)備中斷，所測得數(shù)據(jù)依然安全保存。 本次設(shè) 計(jì) 中網(wǎng)絡(luò)架設(shè)及 終端設(shè)備 的 遠(yuǎn)程 控制 將不做為重點(diǎn)研究內(nèi)容，主要完成終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送與存儲(chǔ)工作，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)計(jì)。 使用 計(jì)算機(jī)的統(tǒng)計(jì)與管理功能，我們可以方便高效的對(duì)土壤 資源狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。智能型網(wǎng)絡(luò)可以快捷方便的獲得每個(gè)檢測點(diǎn)的土壤狀況數(shù)據(jù)，以超低功耗的傳輸機(jī)制使得系統(tǒng)靈活方便，即使每天使用高精度傳感器多次測量也可以保證一塊鋰電池可以使用一、兩年之久 ，當(dāng)然，我們可以使用太陽能電池，能源問題完全不必?fù)?dān)心 。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)勢在必得。 總結(jié) 以往 在 土壤濕度 采集過程中的經(jīng)驗(yàn)可知 ， 雖然 測量的精確性 可以保證，但是方便性與精確性卻很難同時(shí)達(dá)到，便捷的手持設(shè)備可以方便采集到接近的數(shù)據(jù)，但 不夠 精確 又不耐腐蝕，使用壽命短 ，配合電子計(jì)算機(jī)的大型設(shè)備又不能隨身攜帶。 CC2430. 吉林農(nóng)業(yè)大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 1 前 言 土壤墑情 (溫度和濕度等 )是重要的土壤信息，是農(nóng)作物和樹木生長的重要生態(tài)因素，進(jìn)行土壤墑情的測定，掌握土壤墑情變化的規(guī)律，對(duì) 作物 生態(tài)狀況的監(jiān)測和預(yù)報(bào)具有重要意義。 TDR。 oled。s ZigBee wireless sensor 39。 關(guān)鍵詞： ZigBee； OLED顯示； 溫 濕度采集； 時(shí)域反射； 無線傳輸； CC2430。 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論文題目： 土壤 溫 濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 ：