农业基础科学论文
0 引言
土壤水分是作物赖以生长的主要资源。土壤水分过多会影响土壤的气、热因子，导致土壤理化性质的改变，使土壤肥力下降，从而影响作物的正常生长。另外，还会使植物根系缺氧、烂根及不利于植物必须的微量元素的吸收。土壤水分太少时，植物不能进行正常的光合作用和蒸腾作用[1].因此，土壤水分的实时检测对节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养和科学试验等领域皆具有重要意义。
传统的便携式土壤水分测试仪具有以下缺点： 一是测量的大量数据无法存储，不能将数据转存到计算机进行进一步的分析和处理； 二是进行野外测量时无法利用测试数据绘制时间和空间分布图并利用分布图进行综合分析[1].
为此，设计了一种便携式土壤水分测试仪，利用水分传感器采集土壤水分数据、GPS 模块采集土壤经纬度及高度数据，并将数据存储在内部 FLASH 中。
1 系统总体设计
本文利用 CC2530 搭建土壤水分测试仪硬件平台，该平台主要由 CC2530 最小系统、土壤水分传感器、GPS 模块、存储模块及电源模块组成，系统框图如图 1 所示。土壤水分传感器将水分参数转换成电压输出，利用 CC2530 内含的 8 路 12 位 ADC 进行 AD 转换； GPS 模块将经纬度信息通过串口发送到 CC2530,CC2530 将测试数据存储在内部 FLASH 并在液晶上进行显示，也可通过串口将数据转存到计算机，进行进一步的分析和处理； 电源采用大容量可充电锂电池进行供电，可连续测量 6h 以上。
2 系统功能实现
2. 1 CC2530 最小系统设计
CC2530 最小系统主要由 CC2530F256 芯片、时钟电路、键盘电路、复位电路及电源组成，如图 2 所示。
XTAL1 采用 32MHz 晶振外接两个 15p 的电容，XTAL2采用 32. 768KHz 晶振外接两个 15p 电容，复位电路采用上电复位，电源采用 3. 3V 供电[2],P1_5、P1_4 外接两个轻触开关进行系统的设置。CC2530F256 内含256k 字节 FLASH,可实现上万条土壤测试信息的存储，不需额外设计存储器电路。为使 FLASH 数据掉电不丢失，程序设置为上电不擦写，但可根据键盘设置进行擦写。
2. 2 水分传感器电路
本文采用 FDS100 水分传感器测量土壤水分，测量精度 ± 2% .其探针采用不锈钢材料，可直接插入土壤进行测量，工作温度范围 - 40℃ ~ 85℃，满足野外测量要求，主要测量土壤容积含水率。1 脚红线接5 V 电源输入，2 脚黄线输出 0 ~ 1. 875V DC （ 电压信号） 送 CC2530 的 P1_0 口，将 P1_0 口配置成内部 AD输入通道 AIN0,3 脚悬空，4 脚接地。水分传感器电路如图 3 所示。
2. 3 GPS 模块电路
本文采用 ALIENTEK 公司的 ATK - NEO - GPS -6M 模块，电路图如图 4 所示。
该模块是一款高性能 GPS 定位模块自带高性能无缘陶瓷天线（ 无需购买有源天线） ,自带可充电后备电池以支持温启动或热启动，可采用 3. 3V 供电，定位精度 2. 0mCEP ,捕获追踪灵敏度 -161dBm,热启动时间仅需 1s; 模块串口直接与 CC2530 串口连接，将CC2530 的 P1_2、P1_3 配置成 USART0,串口波特率支持 4 800、9 600、38 400（ 默认） 、57 600 等多种不同速率，波特率可通过 R4、R5 进行设置，如表 1 所示。根据表 1,可以自行设置适合自己的波特率。
模块输出的 GPS 定位数据采用 NMEA - 0183 协议，协议采用 ASCII 码来传递 GPS 定位信息，帧格式形如下： $ aaccc,ddd,ddd,…，ddd* hh（ CR） （ LF） .其中，“$ ”表示帧命令起始位，aaccc 表示地址域，前两位为识别符（ aa） ,后 3 位为语句名（ ccc） ,ddd…ddd表示数据，“* ”表示校验和前缀（ 也可以作为语句数据结束的标志） ,Hh 表示校验和（ check sum） ,$ 与*之间所有字符 ASCII 码的校验和（ 各字节做异或运算，得到校验和后，再转换 16 进制格式的 ASCII 字符） ,（ CR） （ LF） 表示帧结束、回车和换行符。常用命令主要有 $ GPGGA（ GPS 定位信息） 、$ GPGSA （ 当前卫星信息） 、$ GPGSV（ 可见卫星信息） 、$ GPRMC（ 推荐定位信息） 、$ GPVTG（ 地面速度信息） 、$ GPGLL（ 大地坐标信息） 及 $ GPZDA （ 当前时间 （ UTC） 信息）[5].