nRF51822藍(lán)牙4.0的溫度墑情測量儀設(shè)計(jì)

張曉飛,宋良平,宋威

(中國船舶重工集團(tuán)公司第722研究所，武漢 430079)

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nRF51822藍(lán)牙4.0的溫度墑情測量儀設(shè)計(jì)

張曉飛,宋良平,宋威

(中國船舶重工集團(tuán)公司第722研究所，武漢 430079)

摘要:溫度和土壤墑情在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象觀測中具有重要的指導(dǎo)作用。隨著藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展和藍(lán)牙4.0規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的提出，使得藍(lán)牙4.0在溫度測量和土壤墑情測量中的應(yīng)用成為可能。本文設(shè)計(jì)了一種基于nRF51822芯片的溫度墑情測量儀，該設(shè)備將傳感器數(shù)據(jù)采集后通過藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了一種高性能、低功耗的無線便攜式溫度墑情測量儀器。

關(guān)鍵詞:nRF51822;土壤墑情;溫度;藍(lán)牙4.0

引言

溫度和土壤墑情的測量對農(nóng)作物、養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)起到至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的測量方法效率低，操作復(fù)雜，需要相關(guān)專業(yè)知識，應(yīng)用范圍小，無法推廣。目前市面上的測量設(shè)備應(yīng)用場景靈活性不足，測量要素單一。本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)時(shí)測量記錄土壤溫度、土壤水分、大氣溫度、湖泊水溫的測量儀。該設(shè)備具有體積小巧美觀、便于攜帶、大屏幕點(diǎn)陣式液晶顯示、意外斷電后已保存在主機(jī)里的數(shù)據(jù)不丟失等特點(diǎn)，既可在本地查看數(shù)據(jù)，也可通過智能手機(jī)的觸屏操作控制軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互進(jìn)行查看。通過智能手機(jī)藍(lán)牙配對，實(shí)現(xiàn)手機(jī)與采集設(shè)備的互聯(lián)互通，便于數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

1設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)原理

1.1墑情測量工作原理[1]

干燥土壤的介電常數(shù)一般為2～4，而水的介電常數(shù)一般為80，可以把含水的土壤看作一種由干燥土壤和水混合在一起的介質(zhì)，因此介電常數(shù)就會隨含水量的變化而變化。本文選用的土壤傳感器為ASW100F，它由一個(gè)100 MHz的信號源、探針以及電纜組成。根據(jù)傳輸線原理，電纜和探頭連接處的阻抗Zi為：

(1)

式中：Zc為探頭在空氣中的特征阻抗；l為探針的長度；λ0為正弦波在空氣中的波長；ε為探針周圍土壤的介電常數(shù)；j為虛數(shù)部分的表示因子。由式(1)可知，阻抗Zi與探針周圍土壤的介電常數(shù)ε有關(guān)，阻抗Zi隨著土壤介電常數(shù)的不斷變化而變化，導(dǎo)致探針和電纜的阻抗不匹配，這會在電纜中產(chǎn)生駐波，而駐波的波峰和波谷也會隨著土壤介電常數(shù)的變化而變化。因此，駐波包絡(luò)的電壓就反映了土壤含水量的情況，可以通過測量電纜上的電壓差來得出土壤含水量的情況。

1.2鉑電阻溫度測量原理

Pt100 是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變。Pt后的100表示它在0 ℃時(shí)阻值為100Ω，在100 ℃時(shí)它的阻值約為138.5Ω。工業(yè)原理為：當(dāng)Pt100 在0 ℃時(shí)阻值為100Ω，它的阻值會隨著溫度上升且阻值是勻速增長的。

圖1　鉑電阻四線制接線

溫度測量電路采用4線制的方法進(jìn)行測量。此種方法測量精度最高,可完全消除因連線過長而引起的誤差。圖1中的R1～R4分別為引線電阻和接觸電阻,且阻值相同。R1、RZ是電壓檢測電路一側(cè)的電阻,R3、R4是恒流源一側(cè)的電阻。這種電路在測量電壓時(shí),漏電流很小,它是高阻抗電壓計(jì)不可缺少的部分。測量誤差主要由R1和RZ的電壓降引起,該誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鉑電阻測溫計(jì)電壓降引起的誤差,可忽略不計(jì)。R3和R4與恒流源串聯(lián)連接,故也可忽略。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

土壤溫度墑情測量儀是基于Nordic公司nRF51822芯片開發(fā)的測量儀器,芯片集成BLE4.0協(xié)議[2]，使用土壤墑情傳感器進(jìn)行土壤水分的測量,使用高精度鉑電阻進(jìn)行溫度的測量。土壤溫度墑情測量儀硬件電路設(shè)計(jì)部分包括一顆集成BLE功能的MCU(nRF51822)，以及由MCU控制的各種外設(shè)，如：藍(lán)牙射頻電路。使用SPI接口的土壤墑情測量電路和溫度測量電路。使用SPI接口的存儲電路。串口轉(zhuǎn)換電路。電池電源充放電管理電路。

土壤溫度墑情測量儀結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖3　nRF51822電路

圖2　土壤溫度墑情測量儀結(jié)構(gòu)框圖

2.1主處理器和藍(lán)牙模塊

nRF51822是一款為超低功耗無線應(yīng)用(ULP wireless applications)設(shè)計(jì)的多協(xié)議單芯片解決方案。芯片支持BLE4.0和2.4 GHz協(xié)議棧，整合了射頻發(fā)射電路、一個(gè)ARM Cortex-M0核以及256 KB的Flash和16 KB的RAM。nRF51822電路如圖3所示。

芯片的I/O配置十分靈活，除了ADC必須配置在8個(gè)規(guī)定的PIN腳上外，SPI、I2C等功能可以靈活配置在31個(gè)GPIO上，便于設(shè)計(jì)接近尺寸極限的設(shè)備；nRF51822使用一個(gè)16 MHz的外置高頻晶振和一個(gè)32.768 kHz的外置低頻晶振。芯片內(nèi)部有32.768 kHz的RC振蕩器，因?yàn)閮?nèi)部RC振蕩器的誤差是2%(30 min/天)，即使校準(zhǔn)后只能達(dá)到250 ppm(22 s/天)，精度無法滿足要求，故而采用外部低頻晶振，一般能達(dá)到40 ppm(3 s/天)，誤差非常小。

測量儀采用電池供電，故而系統(tǒng)要滿足低功耗需求，nRF51822內(nèi)部電源工作在LDO模式下，雖然內(nèi)置了DCDC模式，但是因?yàn)樾酒旧淼墓倪^大，改用外部3.3 V給芯片供電。

藍(lán)牙BALUN電路輸出端可以使用分立器件，也可以使用ST公司定制的天線濾波器BAL-01D3。在保證信號的性能以及減小板卡尺寸的要求下，設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)π形電路進(jìn)行阻抗匹配，增加電容和電感調(diào)整的依據(jù)是史密斯圓圖[3]，如圖4所示。在圓圖上不斷地串并聯(lián)元件，一直達(dá)到所需要的阻抗，從而達(dá)到最大的功率輸出效果。

圖4　史密斯圓圖

2.2溫度和土壤墑情的數(shù)據(jù)采集

溫度和土壤墑情的采樣主要是將采集的電壓信號(ΔV=VOH-VOL)放大，然后通過A/D芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,通過SPI接口傳給nRF51822微控制器得到采樣值，采樣值通過軟件運(yùn)算處理,在0～50%范圍內(nèi)可通過式(2)得到土壤墑情值的轉(zhuǎn)換結(jié)果[4]。

(2)

溫度和墑情電路圖如圖5所示。

圖5　溫度和墑情電路圖

溫度測量所采用的恒流源電流值不能太大,如果恒流源的電流值過大,電流在流過Pt電阻時(shí)產(chǎn)生的熱量會影響測試精度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn),電流值不能大于1 mA。但如果恒流源的電流值過小，在測試時(shí)輸出的信號就會很小，為了使測量的信號滿足A/D轉(zhuǎn)換的要求,就必須增大放大電路的放大倍數(shù),這樣就增大了系統(tǒng)的誤差。因此所用的A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓在0～1.5 V,恒流源的電流為1 mA。

2.3系統(tǒng)電源處理電路

系統(tǒng)有外部供電時(shí)，充電管理電路會首先提供整個(gè)系統(tǒng)的工作電源，如果工作電流小于充電電流，那么充電管理電路同時(shí)會為電池充電；沒有外部供電時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)的工作電源由電池提供。升壓系統(tǒng)將電池電壓轉(zhuǎn)換為恒壓5 V輸出，該輸出為模擬處理電路、傳感器和降壓電路進(jìn)行供電。降壓電路完成高效率的5 V電壓到系統(tǒng)電壓(3.3 V)的轉(zhuǎn)換，為主處理器、串口、存儲電路以及部分信號調(diào)理電路供電。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

充電芯片采用了ACT2801QL-T1026，該芯片充放電效率高，有充電電量指示，內(nèi)部集成路徑管理、限流功能以及過溫、過壓、過流和短路等一些必需的保護(hù)功能。設(shè)計(jì)中在充電電壓的輸入端增加了用于靜電保護(hù)的TVS管和反插保護(hù)的齊納二極管，一旦電源接反，電流從旁路出去，不會損壞整個(gè)電源系統(tǒng)。

圖6　電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了保證足夠的電源效率，設(shè)計(jì)使用了高效率、帶輕載優(yōu)化的DC-DC芯片TPS60501DGS，雖然該芯片的靜態(tài)電流大，但是輸入電流在1 mA以上時(shí)，效率能夠達(dá)到90%以上。

電池電壓在0～4.2 V之間變化，nRF51822的ADC量程為0～1.2 V，經(jīng)過電阻分壓電路輸出電壓會在0～1.05 V之間變化，并聯(lián)電容穩(wěn)定電壓值。通過電池的電量和電壓有對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)只要檢測到電池電壓，即可映射成電池剩余電量。

3電路布板

射頻電路盡量和主芯片接近，減短走線以減少寄生電感，主芯片輸出的差分信號走線必須嚴(yán)格對稱，不要用過孔，但匹配電路周圍要被GND包裹以減小對地電容，傳輸線阻抗匹配達(dá)到50 Ω，匹配網(wǎng)絡(luò)的下方不要走線或者放置器件，造成匹配網(wǎng)絡(luò)和參考地之間的一個(gè)“黑洞”，天線對于周圍接地金屬面十分敏感，電路板上的接地面或者電路板上防止靜電用的屏蔽金屬片都會嚴(yán)重影響到天線輻射特性。

晶振的走線不能與敏感線(射頻)平行，最好是和敏感線垂直，且晶振走線周圍最好包地。電源布線采取了注意功率元件的擺放位置，使用銅層來保護(hù)地的最佳散熱和抗干擾能力，肖特基從電感終端加入到VOUT以降低EMI噪聲等措施來保證質(zhì)量。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的測量儀的整體性能和可靠性，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，檢測設(shè)備發(fā)送的水分測量結(jié)果與烘干法測的數(shù)據(jù)一致，檢測設(shè)備發(fā)送的溫度測量結(jié)果與傳統(tǒng)的水銀溫度計(jì)測的數(shù)據(jù)一致，藍(lán)牙配對迅速且能穩(wěn)定連接，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。交付的設(shè)備經(jīng)長時(shí)間使用驗(yàn)證表明，該測量儀符合設(shè)計(jì)要求。

圖7　實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

結(jié)語

參考文獻(xiàn)

[1] 彭曾愉，趙燕東．基于μC/OS-II操作系統(tǒng)的土壤水分實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)[J] ．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010,32(6):114-119.

[2] Robin Heydon．低功耗藍(lán)牙開發(fā)權(quán)威指南 [M] .北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[3] 殷際杰．微波技術(shù)與天線[M] ．北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 北京智海電子儀器廠有限公司.PSW-100精密駐波土壤水分傳感器說明書，2011.

[5] 陳天華，唐海弢，鄭文剛．基于S3C2410的土壤墑情檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] ．電子技術(shù)應(yīng)用，2011,37(7):89-92.

[6] 陳仲懷，張建寰，施義茂,等.基于藍(lán)牙4.0模塊的直升機(jī)航?？刂葡到y(tǒng)[J] .廈門大學(xué)學(xué)報(bào),2013(10).

[7] SL 61-2003 水文自動測報(bào)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范[S] ．

張曉飛(工程師)，主要從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的研究。

Temperature and Moisture Measurement Instrument Based on nRF51822 and Bluetooth 4.0

Zhang Xiaofei,Song Liangping,Song Wei

(Wuhan Maritime Communication Research Institute,Wuhan 430079,China)

Abstract：Temperature and soil moisture play an important guiding role in the agricultural production and meteorological observation.With the Bluetooth technology development and Bluetooth 4.0 specification standard proposed,it is possible that the Bluetooth 4.0 is used in the temperature and soil moisture measurement.In the paper,a moisture meter based on the nRF51822 chip is designed,which communicates via Bluetooth 4.0 technology after the sensor data acquisition.A high-performance,low-power wireless portable temperature moisture measuring instrument is achieved.

Key words:nRF51822;soil moisture;temperature;Bluetooth 4.0

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-08-21)

中圖分類號:TP274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A