CN203299198U

CN203299198U - 基于sdi-12总线的土壤环境监测数据采集终端

Info

Publication number: CN203299198U
Application number: CN2013203756632U
Authority: CN
Inventors: 摆玉龙; 高燕; 王鑫; 董存辉; 王作成; 李辉东; 黄智慧; 李博
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-06-27

Abstract

本实用新型提供了一种基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，包括SDI-12总线和电源模块；SDI-12总线分别与CC2530控制核心、SDI-12总线接口电路和StevensHydraProbeⅡ传感器相连接；电源模块分别与CC2530控制核心、SDI-12总线接口电路和StevensHydraProbeⅡ传感器相连接。该数据采集终端能对土壤环境进行高精度、多角度监测并采集相关参数，且SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端数据采集具有统一的接口标准协议，并规定了通信内容，满足许多复杂环境监测应用场合希望传感器能与数据记录器共享电源，有效地保护和滤波电路的要求。

Description

基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端

技术领域

本实用新型属于土壤环境监测技术领域，涉及一种高精度智能传感器，具体涉及一种基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端。

背景技术

随着电子技术、传感器技术和计算机技术的飞速发展，用于水文、气象和环境监测的智能仪器大量涌现，以 SDI-12通讯标准的智能传感器终端逐渐深入环境水文监测领域的各个角落。但布线难、功耗高、在复杂的野外环境监测、传输困难、采集数据精度低是智能终端存在的严重问题。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，具有高精度、多角度、自组织、低功耗功能，并能为野外多参数测量存储问题提供一种低功耗、易扩展、价格适宜的外部总线途经。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，包括SDI-12总线和电源模块；SDI-12总线分别与CC2530控制核心、SDI-12总线接口电路和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器相连接；电源模块分别与CC2530控制核心、SDI-12总线接口电路和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器相连接。

本实用新型数据采集终端采用CC2530芯片的控制核心实现无线传输数据、终端自组织、低功耗的功能；采用Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器为监测区域提供水分、电导率和温度数据，同时它也提供原始电压和复杂的介电常数，从而对土壤环境进行多角度监测并采集相关参数，解决了高精度、多角度的土壤环境监测问题，且SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端数据采集具有统一的接口标准协议，并规定了通信内容，满足许多复杂环境监测应用场合希望传感器能与数据记录器共享电源，有效地保护和滤波电路的要求。

附图说明

图1是本实用新型数据采集终端的结构示意图。

图2是本实用新型数据采集终端中传感器通过SDI-12总线与CC2530控制核心的连接示意图。

图3是本实用新型数据采集终端中Stevens Hydra ProbeⅡ传感器的***电路图。

图4是本实用新型数据采集终端中SDI-12总线时序图。

图5是本实用新型数据采集终端中Stevens Hydra ProbeⅡ土壤传感器数据采集流程图。

图6是在传感器采集数据过程中，SDI-12数据线上的信号响应图。

图7是SDI-12总线通信中每一帧数据格式图。

图1中：1.CC2530控制核心，2.AES加密解密模块，3.电源模块，4.Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器，5.第二传感器，6.第一传感器，7.SDI-12总线，8.SDI-12总线接口电路，9.I/O输入输出端口，10. A/D转换模块，11.CPU核心，12.存储器模块，13.外部晶振电路，14.无线收发模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型数据采集终端，包括SDI-12总线7和电源模块3；SDI-12总线7分别与CC2530控制核心1、SDI-12总线接口电路8和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4相连接；电源模块3分别与CC2530控制核心1、SDI-12总线接口电路8和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4相连接。

CC2530控制核心1（也称为：数据采集器）包括CPU核心11，CPU核心11采用8051MCU内核，CPU核心11分别与AES加密解密模块2、I/O输入输出端口9、A/D转换模块10、存储器模块12、外部晶振电路13和无线收发模块14相连接；I/O输入输出端口9与SDI-12总线7相连接。

Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4包括一个第一传感器6和多个第二传感器5；所有的传感器均与SDI-12总线7相连接。

本实用新型数据采集终端以SDI-12总线7为媒介，使CC2530控制核心1和Stevens Hydra ProbeⅡ传感器4之间进行数据通信；在SDI-12协议支持下，只要通过一根三芯电缆，即可把一台数据采集器与多个土壤传感器联系起来组成土壤环境监测数据采集终端，如图2所示。

如图3所示，本实用新型数据采集终端中Stevens Hydra ProbeⅡ传感器的***电路，包括电压转换芯片，该电压转换芯片为LM2940。

电压转换芯片的12V电压输入端分别与第一电容C1的一端、第一稳压二极管D1的负极和二极管D3的负极相连接，二极管D3的正极接12V电源线；第一电容C1的另一端和第一稳压二极管D1的正极接地；SDI-12总线7的数据线分别与火花放电器S1的正极和第二电阻R2的一端相连接，第二电阻的另一端分别与第二电容C2的一端、第三电阻R3的一端、第二稳压二极管D2的负极以及第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端接传感器器件的数据线；第二稳压二极管D2的正极、第三电阻R3的另一端、第二电容C2的另一端和火花放电器S1的负极分别接地，该***电路起到保护和滤波作用。

CC2530控制核心器1的高性能使之具备在各种模式下具有较强的数据保持能力，且支持硬件调试，有极高的灵敏度和抗干扰性能，支持多种网络拓扑结构，且遵守世界范围内的无线电频率管理规定。CC2530控制核心1多种运行模式的切换保证了运行***具有超低功耗的性能，不同运行模式间能迅速转换，更加保证了它的低功率消耗的特点，实现了自组网和低功耗的功能。

Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4可以为土壤环境研究应用领域提供水分、电导率和温湿度等数据，同时它也提供原始电压和复杂的介电常数。传感器探头与普通电容式探头不同，它以高频率测量介电常数和电导率，从而计算出土壤的湿度和盐分，同时使用热敏电阻测量土壤温度，具有较强的即时性。介电常数和水分密切相关，电导率和土壤盐分密切相关，这样介电常数和电导率两个参数就能够准确反映土壤的电气特性，使得Stevens Hydra ProbeⅡ土壤湿度探头在土壤环境监测具有独特的优势。

SDI-12总线标准的传感器部分主要包含了支持SDI-12总线的传感器以不同的形式运用到土壤环境监测中，如Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4以两种不同的形式对土壤环境进行检测，即通过第一传感器6对土壤表面环境进行检测，通过多个第二传感器5对土壤不同深度进行检测。

本实用新型数据采集终端的功能：

1. Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器4对土壤环境的测量功能

Stevens Hydra Probe II传感器4比其他的土壤传感器有独厚的优势，可以同时高精度对水分、电导率和温度测量，可以为研究应用领域提供水分、电导率和温度等数据，同时它也提供原始电压和复杂的介电常数。Stevens Hydra ProbeⅡ传感器4给土壤管理提供了科学的数据。该传感器采用土壤三参数复合传感器技术，具有高性能，同时原位高精度测量水分、电导率和温度数据，具有适应性强、抗腐蚀、防水防潮、应用广泛、便携测量等特点。传感器的技术指标包括：1）测量参数，土壤容积含水量、电导率、温度；2）测量单位，土壤容积含水量单位vol%(m3/m3)、电导率单位S/m、温度单位摄氏度；3）测量范围，土壤容积含水量0～100％、电导率0.01～15、温度-10～+55；4）测量精度，非饱和范围内土壤容积含水量为±2%、非饱和范围内电导率±8%、非饱和范围内温度 ±0.1；5）工作电流，测量期间：30mA；休眠期间：< 10mA；6）供电电压 9～20VDC；7）电极材料，不锈钢。

2. 形成自组织、动态性拓扑网络功能

自组织、动态性拓扑网络功能的实现源于CC2530控制核心1。CC2530是一个真正的用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上***（SoC）解决方案，一般能形成星形网络、网状网络和簇状网络3种拓扑结构。本实用新型数据采集终端通过软件编程可成为ZigBee网络技术中网络协调器、网络路由器和网络终端设备中的任何以网络角色，当存在ZigBee网络时终端能以网络路由器和网络终端设备角色自由进入和退出该网络，当没有ZigBee网络时，终端能担任网络协调器的角色，组织形成并管理生成的ZigBee网络。在终端的设计过程中考虑到在SDI-12总线的数据采集终端使用过程中，部分终端由于环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至中断，或是终端能量耗尽，也有一些新的终端为了弥补失效节点、增加监控精度而弥补到网络中等一系列情况，使得终端具有自组织、动态性拓扑网络的功能，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络***。

3. 低功耗功能

CC2530控制核心1分不同时段采集数据。当数据采集终端到采集时段时，通过唤醒机制，唤醒传感器，让传感器执行采集任务，进入采集数据模式；其余的时间传感器则处于休息阶段，进入休眠模式。休息模式和采集数据模式的状态区分是由CC2530芯片中不同的供电操作模式来决定的。各种供电操作模式被称为主动模式PM1、空闲模式PM2和功率模式2PM3。通过关闭对模块的供电避免静态（泄露）电源消耗来实现超低功耗运行，也可以通过使用门控时钟和关闭振荡器降低动态功耗来实现超低功耗运行。

4. 无线数据传输和安全性功能

CC2530具有一个IEEE 802.15.4标准无线收发器。射频核心控制模拟无线模块。CC2530的无线接收器为一个中低频的接收器。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。在中频中，当模数转换时，输入正交调相信号被过滤和放大。CC2530的无线发送器是基于上变频器。接收数据存放在一个接收先进先出的数据缓冲区内，通过模数转换转换把数字信号转化成模拟信号发送出去。CC2530的数据缓冲区通过先进先出的方式来接收128位数据，通过特殊功能寄存器接口，同样使用先进先出的方式读取数据，且内存与缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。另外，它为MCU和无线之间提供了一个接口，以使得可以发送命令、读取状态、自动操作和对无线事件进行排序。无线部分还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

CC2530在数据传输的同时采用了AES-128高级加密，也称为Rijndael算法，其加密速度快安全级别高。

5. SDI-12协议数据传输功能

CC2530控制核心1与Stevens Hydra ProbeⅡ传感器4之间由SDI-12总线7传输数据。SDI-12是一种串行数字式接口，通过它完成数据采集器与各种串行数学式传感器之间的通讯，通讯速率为1200波特，并为传感器提供额定电压为12伏的电源。传感器设备上有三根线，数据线是双向三态的传输方式，Stevens Hydra ProbeⅡ传感器4的SDI-12总线采用的是负逻辑电平。在正常运行的过程中电压转换的速率要小于或等于1.5V/us。传感器地线必须与CC2530控制器部分的地线相连使之共地。SDI-12总线7上的传感器需提供9.6V～16V电源来保证传感器的正常工作。

在SDI-12总线7上传感器与采集器之间信息的交换是以ASCll码的形式实现的。如时序图4所示，数据采集器发送一个12ms的唤醒信号来唤醒总线上连接的传感器，然后给要通信的传感器发送命令，只有相对应ID的传感器响应并作出应答，总线上其他的传感器都忽略这个命令，并处于休眠状态，最后采集器发出转换和采集数据的命令，对应传感器开始转换和向总线上发送数据，直到数据发送完成。传感器采集数据流程图如图5所示，本实用新型中采用三个定时器实现通信协议。其中第一定时器主要用于接收和发送每一位二进制数据位。按照波特率1200要求，每一位的定时为833μs。第二定时器主要用于限定每次重试的时间，如果在112.5ms内传感器没有回应，说明通信失败，将释放总线。第三定时器用于判断传感器是否休眠。每次通信过程使用内外两层循环各三次。若通信成功，则返回“1”并返回测量结果；否则，返回“0”说明通信失败。由于SDI-12总线7为单总线，采集终端在读取传感器发送的每一位二进制数据稳定的时候进行读取操作是通信成功的关键。本实用新型中通过将每一位二进制信号定时读取时，增加300μs的延时，解决了这个问题。因为每一位二进制位的总线持续时间为833μs，当833μs的定时时间到了的时候，恰好是下一位数据位的总线时间，此时数据总线处于跳变状态不利于读取数据，但增加300μs延时可以确保数据处于总线稳定状态，另外延时和定时器是并行工作的，所以延时不会影响后续数据位的读取。

1）CC2530主控器向总线上发送命令的内容是三部分：a、唤醒信号（break），b、地址寻找信号（marking），c、发送命令数据。

首先，做完CC2530处理器和传感器的初始化，并产生唤醒信号（break），持续至少12ms的空号信号（space），SDI-12总线7上呈现高电平状态；然后是持续8.33ms（允许误差-0.4ms）的地址寻找信号（marking），SDI-12总线7上呈现低电平状态，并确定相应的传感器，经过 8.33ms的延时后，最后发送对SDI-12总线7上以逐数据位传输命令“？！”数据，“？！”命令转换成二进制码为“00111111”和“00100001”，对应的7位反码为“1000000”和“1011110”，数据线上应该以位传输的数据为：“0110000001”和“0110111101”，所以整个的传输数据为“10000001101011110110”。然后等待传感器做出响应，进入等待过程。

2）对应的传感器必须在15ms内做出应答，返回测量数据所需的最大时间和将要返回的数据的数目。

3）CC2530主控器接收数据的过程：监测传感器应答，返回一个或多个测量结果。检测SID-12总线上的高电平，即为地址寻找信号（marking），接下来的为数据信号，以位传输获取，如图6所示，接收传感器所响应的数据及SDI-12总线上应传输的数据为“C<CR><LR>”，转化为二进制为“10011110001010011100

1101011110”。（CR/LR-回车/换行）

4）如果时间超出最大响应时间，退出等待过程，表示无响应，采集过程结束。

数据采集过程中的数据帧格式如图7所示，SDI-12总线的通信数据格式为1位起始位、7位数据位、1位偶校验位和1位停止位。其中，起始位为高电平，停止位位低电平。另外由于该总线为负逻辑，所以需要对7位数据进行反码操作后再发送。同样，当数据采集器发送命令后传感器响应数据也为负逻辑，真实数据的获得需要对接收的7位数据位的每一位进行求反操作来实现。当数据采集器或者传感器释放总线后，总线为低电平。

本数据采集终端采用了SDI-12总线，具有统一的接口标准协议，可以使采集器与传感器共享电源，能够采集土壤温度、湿度、介电常数等土壤环境数据，具有自组织、多跳的拓扑结构、低功耗的无线收发所采集的数据等功能；采集到的数据可以采用无线数据传输，实时安全传输到监测中心，生成报表，统计分析，便于后续研究人员及时准确的监测到土壤的状况，从而更加全面、科学、真实的反映被监测土壤的变化情况，提供有效的减灾抗旱、防旱的土壤信息。满足许多复杂环境监测应用场合希望传感器能与数据记录器共享电源，有效地保护和滤波电路的要求。

Claims

1. 一种基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，其特征在于，包括SDI-12总线（7）和电源模块（3）；SDI-12总线（7）分别与CC2530控制核心（1）、SDI-12总线接口电路（8）和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器（4）相连接；电源模块（3）分别与CC2530控制核心（1）、SDI-12总线接口电路（8）和Stevens Hydra Probe Ⅱ传感器（4）相连接。

2. 根据权利要求1所述基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，其特征在于，所述的CC2530控制核心（1）包括CPU核心（11），CPU核心（11）分别与AES加密解密模块（2）、I/O输入输出端口（9）、A/D转换模块（10）、存储器模块（12）、外部晶振电路（13）和无线收发模块（14）相连接；I/O输入输出端口（9）与SDI-12总线（7）相连接。

3. 根据权利要求2所述基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，其特征在于，所述的CPU核心（11）采用8051MCU内核。

4. 根据权利要求1所述基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，其特征在于，该数据采集终端还包括Stevens Hydra ProbeⅡ传感器（4）的***电路，该***电路包括电压转换芯片，电压转换芯片的12V电压输入端分别与第一电容（C1）的一端、第一稳压二极管（D1）的负极和二极管（D3）的负极相连接，二极管（D3）的正极接12V电源线；第一电容（C1）的另一端和第一稳压二极管（D1）的正极接地；SDI-12总线（7）的数据线分别与火花放电器（S1）的正极和第二电阻（R2）的一端相连接，第二电阻（R2）的另一端分别与第二电容（C2）的一端、第三电阻（R3）的一端、第二稳压二极管（D2）的负极以及第一电阻（R1）的一端相连接，第一电阻（R1）的另一端接传感器器件的数据线；第二稳压二极管（D2）的正极、第三电阻（R3）的另一端、第二电容（C2）的另一端和火花放电器（S1）的负极分别接地。

5. 根据权利要求4所述基于SDI-12总线的土壤环境监测数据采集终端，其特征在于，所述的电压转换芯片为LM2940。