1、2.424数据存储 332.425按键控制 343系统软件设计 353.1系统软件总体设计思想 353.2各功能模块软件程序设计 354系统调试 454.1硬件电路调试 454.2各功能模块软件调试 455结论 46附录一系统总体硬件电路图 48附录二系统程序流程图 49附录三系统程序清单 52学 生：韩专 业：电子信息科学与技术摘 要：本设计基于CC2430无线片上系统为核心部件，用时域反射型（TDR）抗腐蚀 土壤湿度传感器采集湿度数据， 以DS18B20采集土壤温度，同时根据农业生产的需要附加SHT11温湿度模块采集空气温湿度值，使用 OLED屏显示测得数据，并用AT24C08存 储数据。
2、本设计是土壤温湿度环境无线监测网络系统的初步设计， 目的在于实现终端设 备的功能，后待开发建立在IEEE 802.15.4的ZigBee无线传感网络的最优建网方案。 关键词： ZigBee；OLED 显示；温湿度采集；时域反射；无线传输； CC2430。A Design of a Collecting System for Soil Temperature and HumidityName： Han YunxiaoMajor ： Electroni cs Information Science and TechnologyTutor ： Gong HeAbstract: This design
3、 bases on CC2430 wireless system as core component, using Time-Domain Reflector（TDR） Anti-corrosion Soil Humidity Sensors to collect the meanwhile, adding SHT11 temperature- needs, using OLED screen to get the data, and saving them with AT24C08.This design is a basic design of soil temperature- of t
4、he terminal equipments,the following design bases on IEEE 802.15.4s ZigBee wireless sensor nets best creation plan.Key words: ZigBee; oled; Collect temperature and）成立于 1993 年。IrDA 是一 种利用红外线进行点对点通信的技术。 IrDA 标准的无线设备传输速率已从 115.2kbps 逐步发展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积
5、小、功耗低、连接方便、 简单易用成本低廉的特点。 IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在 2 台设备之间 连接，并且存在有视距角度等问题。四种无线传输的机制完全不同， 无论从应用领域的功耗要求还是从技术创新方面考 虑，ZigBee都具有最佳建网优势，这就是我们选择 ZigBee作为本次设计网络拓扑方案的原因。2.3.2终端设备方案选择我们总结一下土壤墒情监测的方法如下：1负压计土壤湿度监测系统负压计，又称张力计，以测量土壤负压 （张力）来显示土壤水分状况。负压计瓷头埋 设于土壤中某一高程后， 负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换， 使 内外水势渐趋平衡， 仪器上所指示的负压
6、值即代表土壤水势， 可以直接反映土壤水分能 为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单，易于制造，因 此使用较为广泛。但是负压计易受环境温度的影响，仪器稳定性较差。此外，负压计具 有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。2中子土壤湿度计 中子土壤湿度计以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来 感知土壤水分状况。 土孔上下移动即可测定不同高程点的土壤含水量。 目前主要采用手 工方法测量，也可以改造为自动化或半自动化监测仪，从田间监测室监测，以防止或减 少中子对人体的辐射。3Y透射仪Y透射仪利用Y射线透射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状
7、况。此种装臵在实验室 内应用效果较好，可进行土壤水分自动化和半自动化监测。4时域反射仪时域反射仪 （TDR 仪），利用时域反射原理定点测量某一土层内的土壤水分情况。此 仪器有较好的测量效果，是目前较先进的土壤湿度仪，便于实现自动化监测，但价格较 为昂贵。5电阻电容式土壤湿度监测系统 电阻电容式土壤湿度监测系统包括电阻式土壤湿度监测系统和电容式土壤湿度监测系统，它们分别以电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。电阻式土壤湿度传感器，用装有电极的感湿材料做成传感器的感湿元件 （探头），感湿材料常为石膏、陶瓷、尼龙丝绕块等。将感湿元件埋设在土壤中某一定点上，使其同 土壤保持紧密接触， 以便
8、感湿元件的水分与土壤水分达到平衡， 由于感湿元件的电阻值 与其含水量具有一定关系， 测量感湿元件的电阻值可以得到感湿元件的湿度， 从而间接 求得土壤湿度。感湿元件在同土壤进行水分交换的同时，也常具有溶质交换，特别是由 于元件埋设时间较长以后，元件中常有溶质积累，从而影响到水分测定的精度。此外， 由于感湿元件具有一定的滞后作用，往往不能及时反映土壤水分现状。电容法测定土壤湿度是根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来进行的。 它同电 阻法相比，受土壤盐分的影响较小。考虑上述多种湿度采集方法的优势，我们决定采用时域反射仪，它设计灵活、便于 自动控制，更符合设计要求。在对湿度传感器的应用方面我们考虑了
9、以下两种方案：方案一：使用12V、电源供电的传感器，得到的模拟信号为 012V，而我们的控制 单元CC2430电压范围是23.3V这样在模拟与数字信号转换方面就产生了困难要么使 用信号压缩的方法将其转换为 3.3V 的模拟信号后再进行 AD 转换，但是这样将会导致 数据误差大。 如果先进行 AD 转换再进行数字信号的电压转换， 这样又增加了设计的复 杂性。本身传感器的 12V 电压也不利于功耗降低，对整体的网络设计不利。方案二：使用一种低电压的土壤湿度传感器自身工作电压为 5V，输出数据为标准的传感器数据：420mA电流。在AD转换方面，我们采用美信公司生产的 MAX1301A 芯片，它能完好
10、的将电流转换为数字信号，并且可以直接和 +2.7V+5.25V 设备相连接， 这样与 CC2430 就可以方便的结合，再加上 MAX1301A 具有完全关闭模式，这样就可 以配合 CC2430 的休眠模式实现网络与终端的同时休眠模式，可以将功耗降至最低。 方案二的优势使我们觉得设计变得方便，无疑的采用了这个方案。2.4 硬件设计与物理实现本部分将不重点介绍ZigBee网络建设方法，只简单介绍ZigBee标准及特点。着重 介绍终端设备的硬件解决方案与原理。2.4.1网络建设一一ZigBee无线传输技术介绍ZigBee与 IEEE 802.15.4ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无
11、线标准研制开发的、有关组网、安全和应 用软件方面的技术，IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对 其网络层协议和 API 进行了标准化 3。ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、 安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE ）所制订的802.15.4标准，则是定 义了物理层（ PHY Layer ）及媒体存取层（ Media Access Control Layer MAC La
12、yer）。ZigBee协议ZigBee标准提供了网络、安全和应用支持服务，这些服务工作在IEEE 802.15.4 媒体存取控制 （MAC） 和物理层 （PHY） 无线标准之上。 它采用了一整套技术来实现可 扩展、自组织、自恢复的网络，这种网络可以管理各种各样的数据传输模式 （如图2-3所示 ）。 4尽管ZigBee常常被默认为无线网格网络，但该标准实际上支持多种网络拓扑， 包括星型、簇树型（cluster tree或星网格混合型网络（如图2-4所示）ZigBee技术优势1数据传输速率低： 10KB 秒 250KB 秒，专注于低传输应用2功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通 5 号电池可使用
13、624个月3成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本4网络容量大：网络可容纳 65,000个设备5时延短：典型搜索设备时延为 30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接 入时延为 15ms。6网络的自组织、自愈能力强，通信可靠7数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用 AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一） ,各个应用可灵8工作频段灵活：使用频段为 2.4GHz、868MHz （欧洲）和915MHz （美国），均为免执照（免费）的频段ZigBee通信可靠性保证1物理层RF通信链接直序扩频采用高处理增益明晰的信道检测
14、对干扰能量进行检测采用跳频技术 Frequency agility2协议基于CRC的误码检测校正采取了避免冲突的策略CSMACA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输 Packet data freshness3通信可靠机制zigbee采用了 CSMA CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留 了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的 确认信息。4网络的自组织、自愈能力强zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节
15、点的存在，并确定 连接关系，组成结构化的网络；zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位臵发生变动，节点发生故障等等， 网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系 统仍然能正常工作。在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能ZigBee物理信道如图如图2-5所示图2-5 ZigBee物理信道示意图Fig.-5 Physical channel sketch map of ZigBee2.4.2终端设备硬件实现方法2.4.2.1主控芯片CC2430与无线收发CC2430主要特征外设：CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯 片上
16、整合了 ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。它使用 1个8位MCU （8051）， 具有KB可编程闪存和8KB的RAM，还包括模数转换器（ADC）、几个定时器、AES128 协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检 测电路以及21个可编程10引脚。引脚如图如图2-6所示，原理图如图2-6所示。图2-6 CC2430引脚示意图Fig. 2-6 Pinout top view of CC2430CC2430包括3个8位输入输出端口，分别为 PO、P1、P2。其中，P0和P1分别 有8个引脚，P2有5个引脚，共21个数字10 口引脚。这些引脚都可以作
17、为通用IO端口，同时通过独立编程还可以作为特殊功能的输 入输出，通过软件设臵还可以改变引脚的输入输出硬件状态配臵。21个IO引脚都可以作为外部中断源输入口， 因此如果需要，外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以唤醒休眠模式。为了提高数据存取的效率，CC2430专门在内存与外设之间开辟了一条专用数据通 道。这条数据通道在 DMA控制器硬件的控制下，直接进行数据交换而不通过 8051内核，不用IO指令。图2-7 CC2430应用框图Fig. 2-7 Application block diagram of CC2430DMA控制器可以把外设（如ADC、射频收发器）的数据移到内存而不需要 CC24
18、30 内核的干涉。这样，传输数据速度上限取决于存储器的速度。采用 DMA方式发送时，由DMA控制器向8051内核发送DMA请求，内核响应DMA请求，这时数据输入输出完全由 DMA 控制器指挥CC2430包括4个定时器：1个一般的16位定时器和2个8位定时器，支持典型的 定时计数功能； 一个 16位 MAC 定时器， 用于为 IEEE802.15.4 的 CSMA-CA 算法以及 IEEE802.15.4 的 MAC 层提供定时。CC2430 的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准 AES 的协处理器来实现 . 该协处理器允许加密解密将使用最小 CPU 使用率。AES 安全协处理器工作在 1
19、28 位。组 128 位的数据下载到协处理器中加密，须在 下一组数据送至协处理器前完成加密 .每组数据送至协处理器加密前，须给协处理器一 个开始指令。由于 AES 协处理器加密的数据都是以 128 位为一组的，因此当一组数据不足 128 位的时，必须在后面添加 0 后才能把数据送至协处理器加密。CC2430 的 ADC 支持 14位的模数转换，这跟一般的单片机 8位 ADC 不同。这个 ADC 包括一个参考电压发生器、 8 个独立可配臵通道、 电压发生器和通过 DMA 模式把 转化结果写入内存的控制器。当使用ADC时，P0 口必须配臵成 ADC输入作为8位ADC输入；把P0相应的引 脚当作 A
20、DC 输入使用，寄存器 ADCCFC 相应位臵设臵为 1。否则寄存器 ADCCFG 的 各为处始值是 0，则不当作 ADC 输入使用。 ADC 完成顺序模数转换以及把结果送至内 存而不需要 CPU 的干涉。CC243C无线收发CC2430 的无线接收器是一个低中频接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器 放大而正交降频转换到中频。在中频 2MHz 中，当 ADC 模数转换时，输入增益调相信 号被过滤和放大。CC2430 的数据缓冲区通过“先进先出”的方式来接收 128位数据。使用“先进先 出”方式读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。 内存与先进先出缓冲区数据移动使用 DMA 方式来实现。CRC
21、校验使用硬件实现。接受信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。在接 受模式中可以用中断来使用清除通道评估（ CCA）。CC2430 的发送器是基于上变频器的。接受数据存放在一个接受先进先出的数据缓 冲区内。 发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。 通过数模转化把数字信号转换成模 拟信号发送出去。CC2430 无线部分主要参数如下：频带范围为 2.4002.4835GHz。采用 IEEE802.15.4 规范要求的直接序列扩频方式。数据速率达250kbps,碎片速率达2Mchips。采用 O-QPSK 调制方式。高接收灵敏度（ -94dBm）。抗邻频道干扰能力强（ 39dB）。 内部集成有
22、VCO 、LNA 、PA 以及电源稳压器。 采用低电压供电（ 2.13.6V）。输出功率编程可控。 典型的外围电路配臵如图 2-8 所示 IEEE802.15.4MAC 硬件可支持自动帧可是生成、 同步插入与检测、 10 比特的 CRC 校验、电源检测以及完全自动 MAC 层保护（ CTR 、CBC-MAC 和 CCM ）。图 2-8 CC2430 应用电路Fig. 2-8 CC2430 Application CircuitIEE802.15.4 调制模式IEEE802.15.4的数字高频调制使用2.4G直接序列扩频（DSSS）技术。扩展调制功能 如图 2-9 所示6。图 2-9 扩展调制功
23、能示意图Fig. 2-9 Expand and modulate the function从图 2-9 可以看出，在调制前需要将数据信号进行转换处理。每 1 个字节信息分为2 个符号，每个符号包括 4 比特。根据符号数据，从 16 个几乎正交的伪随机序列中， 选取其中一个序列作为传送序列。 根据所发送的连续的数据信息将所选出的 PN 序列串 连接起来，并使用 Q-QFSK 的调制方法将这些集合在一起的序列调制到载波上。在比特-符号转换时，将每个字节中的低 4 位转换成为一个符号，高 4 位转换成另 一个符号。每一个字节都要逐个进行处理， 即从它的前同步码字段开始到最后一个字节。 在每个字节的处
24、理过程中，优先处理低 4位，随后处理高 4位。2.4.2.2 数据采集（1）土壤湿度采集：数据采集包括传感器和模数转换两大部分，使用耐腐蚀土壤 湿度专用传感器和 MAX1301 高速率 ADC 搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通 过 SPI 总线模式送入中心控制单元。土壤湿度传感器（型号 :TDR ）简介：1dr 的工作原理水分是决定土壤的介电常数的主要因素。 tdr 土壤水分传感器测量土壤的介电常数， 直接稳定地测量各种土壤的真实水分含量。传感器的信号输出可以用来直接控制灌溉。 tdr 可测量土壤水分的体积百分比，与土壤的本身的机理无关。2特点高稳定性；安装维护操作简便；有效测量长度超过
25、45cm，增加了精确度；测量不受土壤类型影响；支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证。3远程操作tdr 土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成遥测系统。例如：土壤干燥 时，警告信号可以自动响起来提醒人们应该灌溉的时间到了。 自动控制系统能开关水泵 和阀门等。 配合一些附加的传感器， 可能可以计算出土壤水分蒸发量和农作物所需的水 分参数。3个灌溉表技术（蒸发量，作物水胁迫指数cwsi和土壤水分）的综合应用可以提 供农作物适宜生长的最大的保证。4规格电源要求： 5vdc+20%40ma输出：01ma,可选420ma或02.5v全部尺寸：直径： 佃mm;长度：635mm预热时间： 1 秒5可
26、选项：4 20ma 输出02.5v输出6安装：传感器测量土壤的有效部分为 18英寸长，靠近电缆的 9英寸和顶部的 0.5英寸区 域。不包括在测量区域内。 测量有效区域必须与土壤紧密并可以被放臵在任何的方向和 深度。对于比较深的农作物，例如果树，它通常垂直的放臵。对于垂直安装，挖一个 0.5英寸 足够深的洞把传感器放下到所要测量的区域。用 0.5英寸的土壤采样器可以很方便的挖出这个洞。 传感器必须与土壤紧密的接触。确保土壤填满传感器，用一个直径 0.5英寸的棒深入到土壤中，棒与传感器的距离大约为 3英寸，与传感器同样的深度。 确保棒与传感器保持平行并避免碰到损坏传感器。移动棒到相反的方向，距离同
27、样为 3 英寸的位臵，然后重复这个过程在先前 2洞的 90度方向。在上部填上泥土来阻止水进入顶部。 一个可选的方法是把事先用当地土壤所做的泥 浆沿着传感器注入孔中，然后插入传感器。这些泥浆将填满传感器与土壤之间的间隙。 水平传感器将安装在沟中， 然后填土埋好。 注意：不要把传感器安装在太阳直接照射的 地方传感器使用时使用光耦控制启动，输出选择 420mA 电流方式， MAX1301 可以 与其完美的结合。 MAX1301 引脚如图 2-10所示。MAX1301ADC 介绍：MAX1301多量程、低功耗、16位逐次逼近型 ADC采用添+5V单电源供电，并 具有独立的数字电源，允许和 2.7V至5
28、.25V系统连接。此ADC带有支持单端和全差 分输人的内部采样保持（ TH ）电路进行单端信号转换时，有效模拟输入电压范围从地 电 位以下的 -VREF 到地电位以上的 +VREF 。允许的最大差分输人电压范围为 -12V 到 +12V。表 2-1MAX1301 电源与电源旁路Table 2-1. MAX1301 Power Supplies and Bypassing位供电输入端称 电压范围（V） 典型电流值（mA） 描述 电路类型 旁路Start Bit, The first logic 1 after CS goes low defines the b eginning of the a
29、nalog input7 STARTDVDDO DGND2.7 to 5.250.configuration byteDigital IO0.1（F toAV DD2AGICD4.75 to 5.2517.Analog CircuitryAV DD1 AGICD4.7Chton5.2Select Bits. SELJ2：0 select the analogAnpatoganCekCuWeconfiguredDV DD DGICDDigital Control Logic and 0.1F to DGNDDifferential or Single-Ended Configuration Bi
30、t. DIF = 0 configures the selected analog inputchannel for single-ended operation. DIF = 1 configures the channel for differential operation. InDIF single-ended mode, input voltages are measured between the selected input channel andAGND1, as shown inTable 4. In differential mode, the input voltages are measured between twoinput channe
