nRF51822蓝牙4.0的温度墒情测量仪设计

张晓飞,宋良平,宋威

(中国船舶重工集团公司第722研究所，武汉 430079)



nRF51822蓝牙4.0的温度墒情测量仪设计

张晓飞,宋良平,宋威

(中国船舶重工集团公司第722研究所，武汉 430079)

摘要:温度和土壤墒情在农业生产、气象观测中具有重要的指导作用。随着蓝牙技术的发展和蓝牙4.0规范标准的提出，使得蓝牙4.0在温度测量和土壤墒情测量中的应用成为可能。本文设计了一种基于nRF51822芯片的温度墒情测量仪，该设备将传感器数据采集后通过蓝牙4.0技术进行通信，实现了一种高性能、低功耗的无线便携式温度墒情测量仪器。

关键词:nRF51822;土壤墒情;温度;蓝牙4.0

引言

温度和土壤墒情的测量对农作物、养殖业等行业起到至关重要的作用。传统的测量方法效率低，操作复杂，需要相关专业知识，应用范围小，无法推广。目前市面上的测量设备应用场景灵活性不足，测量要素单一。本文设计了一种可实时测量记录土壤温度、土壤水分、大气温度、湖泊水温的测量仪。该设备具有体积小巧美观、便于携带、大屏幕点阵式液晶显示、意外断电后已保存在主机里的数据不丢失等特点，既可在本地查看数据，也可通过智能手机的触屏操作控制软件，实现人机交互进行查看。通过智能手机蓝牙配对，实现手机与采集设备的互联互通，便于数据的采集和传输。

1设计实现原理

1.1墒情测量工作原理[1]

干燥土壤的介电常数一般为2～4，而水的介电常数一般为80，可以把含水的土壤看作一种由干燥土壤和水混合在一起的介质，因此介电常数就会随含水量的变化而变化。本文选用的土壤传感器为ASW100F，它由一个100 MHz的信号源、探针以及电缆组成。根据传输线原理，电缆和探头连接处的阻抗Zi为：

(1)

式中：Zc为探头在空气中的特征阻抗；l为探针的长度；λ0为正弦波在空气中的波长；ε为探针周围土壤的介电常数；j为虚数部分的表示因子。由式(1)可知，阻抗Zi与探针周围土壤的介电常数ε有关，阻抗Zi随着土壤介电常数的不断变化而变化，导致探针和电缆的阻抗不匹配，这会在电缆中产生驻波，而驻波的波峰和波谷也会随着土壤介电常数的变化而变化。因此，驻波包络的电压就反映了土壤含水量的情况，可以通过测量电缆上的电压差来得出土壤含水量的情况。

1.2铂电阻温度测量原理

Pt100 是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。Pt后的100表示它在0 ℃时阻值为100Ω，在100 ℃时它的阻值约为138.5Ω。工业原理为：当Pt100 在0 ℃时阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升且阻值是匀速增长的。

图1　铂电阻四线制接线

温度测量电路采用4线制的方法进行测量。此种方法测量精度最高,可完全消除因连线过长而引起的误差。图1中的R1～R4分别为引线电阻和接触电阻,且阻值相同。R1、RZ是电压检测电路一侧的电阻,R3、R4是恒流源一侧的电阻。这种电路在测量电压时,漏电流很小,它是高阻抗电压计不可缺少的部分。测量误差主要由R1和RZ的电压降引起,该误差远远小于铂电阻测温计电压降引起的误差,可忽略不计。R3和R4与恒流源串联连接,故也可忽略。

2系统硬件设计

土壤温度墒情测量仪是基于Nordic公司nRF51822芯片开发的测量仪器,芯片集成BLE4.0协议[2]，使用土壤墒情传感器进行土壤水分的测量,使用高精度铂电阻进行温度的测量。土壤温度墒情测量仪硬件电路设计部分包括一颗集成BLE功能的MCU(nRF51822)，以及由MCU控制的各种外设，如：蓝牙射频电路。使用SPI接口的土壤墒情测量电路和温度测量电路。使用SPI接口的存储电路。串口转换电路。电池电源充放电管理电路。

土壤温度墒情测量仪结构框图如图2所示。

图3　nRF51822电路

图2　土壤温度墒情测量仪结构框图

2.1主处理器和蓝牙模块

nRF51822是一款为超低功耗无线应用(ULP wireless applications)设计的多协议单芯片解决方案。芯片支持BLE4.0和2.4 GHz协议栈，整合了射频发射电路、一个ARM Cortex-M0核以及256 KB的Flash和16 KB的RAM。nRF51822电路如图3所示。

芯片的I/O配置十分灵活，除了ADC必须配置在8个规定的PIN脚上外，SPI、I2C等功能可以灵活配置在31个GPIO上，便于设计接近尺寸极限的设备；nRF51822使用一个16 MHz的外置高频晶振和一个32.768 kHz的外置低频晶振。芯片内部有32.768 kHz的RC振荡器，因为内部RC振荡器的误差是2%(30 min/天)，即使校准后只能达到250 ppm(22 s/天)，精度无法满足要求，故而采用外部低频晶振，一般能达到40 ppm(3 s/天)，误差非常小。

测量仪采用电池供电，故而系统要满足低功耗需求，nRF51822内部电源工作在LDO模式下，虽然内置了DCDC模式，但是因为芯片本身的功耗过大，改用外部3.3 V给芯片供电。

蓝牙BALUN电路输出端可以使用分立器件，也可以使用ST公司定制的天线滤波器BAL-01D3。在保证信号的性能以及减小板卡尺寸的要求下，设计中采用了一个π形电路进行阻抗匹配，增加电容和电感调整的依据是史密斯圆图[3]，如图4所示。在圆图上不断地串并联元件，一直达到所需要的阻抗，从而达到最大的功率输出效果。

图4　史密斯圆图

2.2温度和土壤墒情的数据采集

温度和土壤墒情的采样主要是将采集的电压信号(ΔV=VOH-VOL)放大，然后通过A/D芯片将模拟信号转换为数字信号,通过SPI接口传给nRF51822微控制器得到采样值，采样值通过软件运算处理,在0～50%范围内可通过式(2)得到土壤墒情值的转换结果[4]。

(2)

温度和墒情电路图如图5所示。

图5　温度和墒情电路图

温度测量所采用的恒流源电流值不能太大,如果恒流源的电流值过大,电流在流过Pt电阻时产生的热量会影响测试精度，根据经验,电流值不能大于1 mA。但如果恒流源的电流值过小，在测试时输出的信号就会很小，为了使测量的信号满足A/D转换的要求,就必须增大放大电路的放大倍数,这样就增大了系统的误差。因此所用的A/D转换器输入电压在0～1.5 V,恒流源的电流为1 mA。

2.3系统电源处理电路

系统有外部供电时，充电管理电路会首先提供整个系统的工作电源，如果工作电流小于充电电流，那么充电管理电路同时会为电池充电；没有外部供电时，整个系统的工作电源由电池提供。升压系统将电池电压转换为恒压5 V输出，该输出为模拟处理电路、传感器和降压电路进行供电。降压电路完成高效率的5 V电压到系统电压(3.3 V)的转换，为主处理器、串口、存储电路以及部分信号调理电路供电。电源系统结构框图如图6所示。

充电芯片采用了ACT2801QL-T1026，该芯片充放电效率高，有充电电量指示，内部集成路径管理、限流功能以及过温、过压、过流和短路等一些必需的保护功能。设计中在充电电压的输入端增加了用于静电保护的TVS管和反插保护的齐纳二极管，一旦电源接反，电流从旁路出去，不会损坏整个电源系统。

图6　电源系统结构框图

为了保证足够的电源效率，设计使用了高效率、带轻载优化的DC-DC芯片TPS60501DGS，虽然该芯片的静态电流大，但是输入电流在1 mA以上时，效率能够达到90%以上。

电池电压在0～4.2 V之间变化，nRF51822的ADC量程为0～1.2 V，经过电阻分压电路输出电压会在0～1.05 V之间变化，并联电容稳定电压值。通过电池的电量和电压有对应关系，系统只要检测到电池电压，即可映射成电池剩余电量。

3电路布板

射频电路尽量和主芯片接近，减短走线以减少寄生电感，主芯片输出的差分信号走线必须严格对称，不要用过孔，但匹配电路周围要被GND包裹以减小对地电容，传输线阻抗匹配达到50 Ω，匹配网络的下方不要走线或者放置器件，造成匹配网络和参考地之间的一个“黑洞”，天线对于周围接地金属面十分敏感，电路板上的接地面或者电路板上防止静电用的屏蔽金属片都会严重影响到天线辐射特性。

晶振的走线不能与敏感线(射频)平行，最好是和敏感线垂直，且晶振走线周围最好包地。电源布线采取了注意功率元件的摆放位置，使用铜层来保护地的最佳散热和抗干扰能力，肖特基从电感终端加入到VOUT以降低EMI噪声等措施来保证质量。

4实验结果

为了验证设计的测量仪的整体性能和可靠性，经过多次实验，检测设备发送的水分测量结果与烘干法测的数据一致，检测设备发送的温度测量结果与传统的水银温度计测的数据一致，蓝牙配对迅速且能稳定连接，实验结果如图7所示。交付的设备经长时间使用验证表明，该测量仪符合设计要求。

图7　实验结果数据

结语

参考文献

[1] 彭曾愉，赵燕东．基于μC/OS-II操作系统的土壤水分实时监测系统[J] ．北京林业大学学报，2010,32(6):114-119.

[2] Robin Heydon．低功耗蓝牙开发权威指南 [M] .北京:北京机械工业出版社，2014.

[3] 殷际杰．微波技术与天线[M] ．北京：电子工业出版社，2009.

[4] 北京智海电子仪器厂有限公司.PSW-100精密驻波土壤水分传感器说明书，2011.

[5] 陈天华，唐海弢，郑文刚．基于S3C2410的土壤墒情检测系统设计[J] ．电子技术应用，2011,37(7):89-92.

[6] 陈仲怀，张建寰，施义茂,等.基于蓝牙4.0模块的直升机航模控制系统[J] .厦门大学学报,2013(10).

[7] SL 61-2003 水文自动测报系统技术规范[S] ．

张晓飞(工程师)，主要从事嵌入式系统设计及应用的研究。

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：(责任编辑：杨迪娜2015-08-21)

中图分类号:TP274.2

文献标识码:A