引言
長久以來，土壤的溫度、水分一直是農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的重點研究對象。作為土壤的兩大基本屬性，土壤溫度、水分的細微變化都會對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生極大的影響。很多研究表明，在土地水土保持、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、土壤的肥力調(diào)配、大范圍的局地性氣候變化和生態(tài)環(huán)境保護諸多研究領(lǐng)域中，土壤溫度、水分的時空性變化也是極為重要的兩個參考性因素。因此，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學、氣象等多個研究領(lǐng)域中，都把土壤溫度、水分作為研究觀測的基本對象。
由于我國的地理環(huán)境情況復雜，各地區(qū)數(shù)據(jù)觀測水平參差不齊，導致土壤溫度、水分的數(shù)據(jù)來源比較匱乏，數(shù)據(jù)匯總難度較大。傳統(tǒng)的測量方式獲取的土壤溫度和水分數(shù)據(jù)，在測量精度、數(shù)據(jù)采集量、可靠性方面遠遠不能滿足現(xiàn)今高精度、網(wǎng)絡化、智能化的測量需求。與此同時，傳統(tǒng)的土壤溫度、水分測量儀器也只能測得單一的土壤表層的溫度、水分數(shù)據(jù)，缺乏能夠在大范圍區(qū)域和土壤的垂直梯度方向上完整、實時、自動連續(xù)測量土壤溫度、水分的方法和儀器。
隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化技術(shù)的不斷進步，ZigBee無線通信技術(shù)的發(fā)展日益成熟，其被廣泛應用于無線傳感器測量網(wǎng)絡、自動氣象站、智能交通、智能家居等眾多領(lǐng)域。ZigBee無線通信技術(shù)的低功耗、短距離、低成本、布網(wǎng)靈活等特點十分適合用于需要自動連續(xù)采集數(shù)據(jù)、局域分布測量、大范圍聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的測量場合。通過ZigBee無線網(wǎng)絡可以方便地實現(xiàn)多個土壤溫度、水分傳感器的分散布局，從而可以方便地實現(xiàn)土壤測量參數(shù)的收集處理。
1 系統(tǒng)設計原理及結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集包括土壤溫度、水分傳感器若干組，具體根據(jù)測量的區(qū)域范圍大小來定。每組傳感器在待測土壤垂直梯度方向上以每隔20 cm間距依次布局7～8個左右的傳感器。在待測土壤區(qū)域垂直挖掘出一個深度d≥1.5 m的圓柱形深坑。同時將傳感器通過類似于卡座
固定于直徑小于深坑的不銹鋼圓管之中，在埋置不銹鋼圓管時先在管外埋土，最后往不銹鋼圓管內(nèi)注入土壤。傳感器梯度埋設如圖1所示。
土壤溫度和水分傳感器信號分別經(jīng)過前端信號的放大和采樣電路送至各個傳感器節(jié)點上的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進行A/D轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)多路的土壤梯度溫度、水分測量，傳感器節(jié)點通過單片機引腳信號來控制多路模擬開關(guān)，實時自動選擇所需轉(zhuǎn)換的通道。
每組傳感器節(jié)點自動地建立一個網(wǎng)絡，整個無線網(wǎng)絡拓撲選用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)方便、可靠，可由中心采集節(jié)點完成對周圍傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)集結(jié)。在自建立網(wǎng)絡完成后，傳感器節(jié)點與采集節(jié)點建立綁定關(guān)系，周期性的向采集節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點在固定時間內(nèi)沒有收到采集節(jié)點的應答消息時能自動重組網(wǎng)絡，重新尋找新的采集節(jié)點。同時，可通過全功能路由節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳遞，來擴大整個數(shù)據(jù)采集范圍。最終采集節(jié)點將數(shù)據(jù)進行內(nèi)部存儲，對所得數(shù)據(jù)進行相關(guān)的校正處理，提升其測量精度，得出理想可靠的實時數(shù)據(jù)。按照行業(yè)規(guī)范的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式調(diào)制數(shù)據(jù)，最終通過GPRS模塊或者RS232/RS485通信接口傳送至數(shù)據(jù)顯示終端進行觀測分析。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件部分主要包括前端信號采集放大電路和數(shù)據(jù)通信電路兩部分，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括有主控制器MSP430F149，CC2480協(xié)處理器，電池電源，多路土壤溫度、水分傳感器電路以及采樣放大電路。主控制器MSP430F149是一款來自TI公司的16位低功耗處理器，多達5種低功耗模式適用于設計干電池供電要求的設備，片上集成性能出色的外設模塊，片內(nèi)有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協(xié)處理器CC2480通過4線SPI接口和主控MCU的通信完成數(shù)據(jù)的傳輸采集。前端信號采集通過適合于埋設在土壤中測量土壤溫度、水分的PT100鉑熱電阻和多路FDR土壤水分傳感器來完成。此外，對于鉑熱電阻測得的微弱電流信號需通過低功耗儀表放大器AD8226實現(xiàn)信號的放大和抬升。而多路FDR土壤水分傳感器則是直接輸出電壓信號，通過簡單的電阻轉(zhuǎn)換采樣即可使用。
2.1 傳感器電路
土壤溫度、水分傳感器選用了適合于土壤測量的三線制PT100鉑熱電阻，其外層封裝適用于長期埋設于土壤層中。PT100鉑熱電阻值隨溫度的變化而變換，其在常溫測量范圍內(nèi)具有良好的線性度，且精度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性強。其阻值和溫度滿足以下關(guān)系：當-200℃≤t ≤0℃時，Rt=R0×[1+At+Bt2+C×(t-100)×t3];在0℃≤t≤850℃時，Rt=R0×(1+At+Bt2)。A、B、C為溫度系數(shù);Rt為t℃下的電阻值;R0為0℃下的電阻值。
兩線制的鉑熱電阻隨著使用距離的延長會增加導線的長度，由線電阻帶來的附加誤差使得測量結(jié)果誤差較大。三線制的鉑熱電阻將導線的一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到相應的電橋橋臂上。采用全等臂電橋時，導線電阻的變化對測量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計，而且測量距離較遠，多用于工業(yè)現(xiàn)場使用。四線制鉑熱電阻，通過兩端導線接入恒流源，直接通過另外兩根導線測得鉑熱電阻值。測得的電阻值精度很高，完全不受導線電阻影響，但測量距離較短、成本較高，多用于實驗使用。
綜合比較，采用三線PT100配合電橋方案。三線制PT100通過電橋電路實現(xiàn)溫度信號的提取，這樣不僅可以通過改變引線的長短實現(xiàn)對測量結(jié)果的影響，還能很好地避免溫度對測溫電路的影響。電橋測得的差分信號接入到低功耗儀表放大器AD8226的輸入端，該款儀表放大器來自ADI公司，專為多通道、低功耗前端微信號放大使用，具有出色的共模抑制比、極低的偏置電流以及軌到軌輸出。通過外接精密電阻RG調(diào)整其放大倍數(shù)，滿足測量放大要求。其正電源接5 V電壓，負電源接地，為了減少干擾，接有0.1μF的去耦電容。
原始信號經(jīng)過放大后再經(jīng)過AD8226的Vref(1 V)抬升電壓，抬升至適合數(shù)模轉(zhuǎn)換參考電壓范圍內(nèi)，輸入到前級外置多路低功耗模擬開關(guān)ADG758。8選1多路模擬開關(guān)ADG758專為低功耗所設計，通過ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實現(xiàn)三線譯碼選通，來控制各個傳感器通道的選通使用。模擬開關(guān)ADG758的輸出端D與MSP430F149的內(nèi)置高精度12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連接，節(jié)約了額外的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，從而降低了成本，為實現(xiàn)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡測量土壤梯度溫度、水分參數(shù)提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經(jīng)過恒溫箱標定后，所需測量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測量誤差為±0.4℃。
土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類型土壤水分傳感器。這種測量方法與烘干稱重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準確、連續(xù)測量等優(yōu)點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監(jiān)測土壤水分變化，性能出色，且價格相對低廉、沒有放射性污染。該FDR土壤水分傳感器輸出0～5 V的電壓信號，通過高精密電阻采樣信號，送入多路模擬開關(guān)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。
2.2 無線數(shù)據(jù)通信電路
CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee協(xié)議的射頻芯片，具有較低的功耗，在待機模式下只有低于0.6μA的電流損耗。與其前代CC2430芯片類似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協(xié)議棧，并且支持TI公司的10個Simple API，通過SPI/UART接口可以和任意一款主控芯片之間實現(xiàn)交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的復雜度，可以更好地支持多傳感器智能網(wǎng)絡的實現(xiàn)。CC2480可以在ZigBee無線網(wǎng)絡中擔任終端設備節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點，在網(wǎng)絡中的通用性強，應用范圍廣。CC2480接口電路如圖6所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)軟件部分的設計主要是按功能塊劃分為若干個模塊進行編寫設計，主體循環(huán)就是對各個功能函數(shù)進行調(diào)用，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理以及無線通信與發(fā)送。整個軟件的編寫使用的是靈活性強、可讀性和可移植性強的C語言，在IAR for MSP430集成開發(fā)環(huán)境下完成開發(fā)和最終調(diào)試。
主要的函數(shù)包括主函數(shù)、溫度測量、水分測量、溫度測量線性化校正、數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軌K，以及RS232/RS485底層驅(qū)動。溫度測量功能塊實現(xiàn)的是對PT100電橋測溫電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果功能;水分測量功能塊負責將對應的電壓信號轉(zhuǎn)化成實際水分值，并進行存儲;溫度測量線性化校正功能塊通過查詢鉑熱電阻的線性校正表來提高溫度測量的精度;數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理功能塊完成對土壤溫度、水分數(shù)據(jù)的打包處理;無線數(shù)據(jù)傳輸功能塊主要是通過對CC2480協(xié)處理器的控制函數(shù)和協(xié)議棧的調(diào)用完成數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。各個子函數(shù)之間保持各自獨立完整性，能在主函數(shù)中實現(xiàn)無縫調(diào)用。
為了適應于無人值守的野外使用，應適當?shù)脑O置好看門狗定時時間。同時為了節(jié)約能耗、延長電池壽命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在進行A/D轉(zhuǎn)換時可選用低頻率時鐘以及關(guān)閉CPU，或者在CPU數(shù)據(jù)處理時關(guān)閉ADC。在不需要測量時，系統(tǒng)可進入極低功耗模式節(jié)省能耗。測量節(jié)點程序流程如圖7所示。
結(jié)語
本土壤溫度、水分梯度測量系統(tǒng)，通過特殊土壤梯度方式鋪設土壤溫度、水分傳感器，實現(xiàn)對于立體式土壤溫度、水分的測量。選用了廉價可靠、性能出色的傳感器，可滿足大規(guī)模布設的要求。通過相應的軟件校正消除非線性誤差，在一定范圍內(nèi)提升到比較高的測量精度，滿足了設計要求。前端多路土壤傳感器信號通過低功耗多路模擬開關(guān)依次選通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A/D轉(zhuǎn)換通道進行A/D轉(zhuǎn)換。各個傳感器節(jié)點自動與數(shù)據(jù)采集節(jié)點組網(wǎng)最終完成測量所得數(shù)據(jù)的無線傳輸。通過對MSP430F149的低功耗模式配合，各個低功耗器件實現(xiàn)了對整體系統(tǒng)的能耗控制，也為野外無人值守情況下的長時間電池供電提供了保障。本系統(tǒng)可適用于大規(guī)模野外無人值守情況下的土壤溫度、水分連續(xù)自動監(jiān)測以及農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境檢測等多種場合。