0 引言
土壤水分是作物賴以生長的主要資源。土壤水分過多會影響土壤的氣、熱因子，導致土壤理化性質的改變，使土壤肥力下降，從而影響作物的正常生長。另外，還會使植物根系缺氧、爛根及不利于植物必須的微量元素的吸收。土壤水分太少時，植物不能進行正常的光合作用和蒸騰作用[1].因此，土壤水分的實時檢測對節水農業灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養和科學試驗等領域皆具有重要意義。
傳統的便攜式土壤水分測試儀具有以下缺點： 一是測量的大量數據無法存儲，不能將數據轉存到計算機進行進一步的分析和處理； 二是進行野外測量時無法利用測試數據繪制時間和空間分布圖并利用分布圖進行綜合分析[1].
為此，設計了一種便攜式土壤水分測試儀，利用水分傳感器采集土壤水分數據、GPS 模塊采集土壤經緯度及高度數據，并將數據存儲在內部 FLASH 中。
1 系統總體設計
本文利用 CC2530 搭建土壤水分測試儀硬件平臺，該平臺主要由 CC2530 最小系統、土壤水分傳感器、GPS 模塊、存儲模塊及電源模塊組成，系統框圖如圖 1 所示。土壤水分傳感器將水分參數轉換成電壓輸出，利用 CC2530 內含的 8 路 12 位 ADC 進行 AD 轉換； GPS 模塊將經緯度信息通過串口發送到 CC2530,CC2530 將測試數據存儲在內部 FLASH 并在液晶上進行顯示，也可通過串口將數據轉存到計算機，進行進一步的分析和處理； 電源采用大容量可充電鋰電池進行供電，可連續測量 6h 以上。
2 系統功能實現
2. 1 CC2530 最小系統設計
CC2530 最小系統主要由 CC2530F256 芯片、時鐘電路、鍵盤電路、復位電路及電源組成，如圖 2 所示。
XTAL1 采用 32MHz 晶振外接兩個 15p 的電容，XTAL2采用 32. 768KHz 晶振外接兩個 15p 電容，復位電路采用上電復位，電源采用 3. 3V 供電[2],P1_5、P1_4 外接兩個輕觸開關進行系統的設置。CC2530F256 內含256k 字節 FLASH,可實現上萬條土壤測試信息的存儲，不需額外設計存儲器電路。為使 FLASH 數據掉電不丟失，程序設置為上電不擦寫，但可根據鍵盤設置進行擦寫。
2. 2 水分傳感器電路
本文采用 FDS100 水分傳感器測量土壤水分，測量精度 ± 2% .其探針采用不銹鋼材料，可直接插入土壤進行測量，工作溫度范圍 - 40℃ ~ 85℃，滿足野外測量要求，主要測量土壤容積含水率。1 腳紅線接5 V 電源輸入，2 腳黃線輸出 0 ~ 1. 875V DC （ 電壓信號） 送 CC2530 的 P1_0 口，將 P1_0 口配置成內部 AD輸入通道 AIN0,3 腳懸空，4 腳接地。水分傳感器電路如圖 3 所示。
2. 3 GPS 模塊電路
本文采用 ALIENTEK 公司的 ATK - NEO - GPS -6M 模塊，電路圖如圖 4 所示。
該模塊是一款高性能 GPS 定位模塊自帶高性能無緣陶瓷天線（ 無需購買有源天線） ,自帶可充電后備電池以支持溫啟動或熱啟動，可采用 3. 3V 供電，定位精度 2. 0mCEP ,捕獲追蹤靈敏度 -161dBm,熱啟動時間僅需 1s; 模塊串口直接與 CC2530 串口連接，將CC2530 的 P1_2、P1_3 配置成 USART0,串口波特率支持 4 800、9 600、38 400（ 默認） 、57 600 等多種不同速率，波特率可通過 R4、R5 進行設置，如表 1 所示。根據表 1,可以自行設置適合自己的波特率。
模塊輸出的 GPS 定位數據采用 NMEA - 0183 協議，協議采用 ASCII 碼來傳遞 GPS 定位信息，幀格式形如下： $ aaccc,ddd,ddd,…，ddd* hh（ CR） （ LF） .其中，“$ ”表示幀命令起始位，aaccc 表示地址域，前兩位為識別符（ aa） ,后 3 位為語句名（ ccc） ,ddd…ddd表示數據，“* ”表示校驗和前綴（ 也可以作為語句數據結束的標志） ,Hh 表示校驗和（ check sum） ,$ 與*之間所有字符 ASCII 碼的校驗和（ 各字節做異或運算，得到校驗和后，再轉換 16 進制格式的 ASCII 字符） ,（ CR） （ LF） 表示幀結束、回車和換行符。常用命令主要有 $ GPGGA（ GPS 定位信息） 、$ GPGSA （ 當前衛星信息） 、$ GPGSV（ 可見衛星信息） 、$ GPRMC（ 推薦定位信息） 、$ GPVTG（ 地面速度信息） 、$ GPGLL（ 大地坐標信息） 及 $ GPZDA （ 當前時間 （ UTC） 信息）[5].
