引言

    長(zhǎng)久以來(lái)，土壤的溫度、水分一直是農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。作為土壤的兩大基本屬性，土壤溫度、水分的細(xì)微變化都會(huì)對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(hù)諸多研究領(lǐng)域中，土壤溫度、水分的時(shí)空性變化也是極為重要的兩個(gè)參考性因素。因此，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境科學(xué)、氣象等多個(gè)研究領(lǐng)域中，都把土壤溫度、水分作為研究觀測(cè)的基本對(duì)象。

    由于我國(guó)的地理環(huán)境情況復(fù)雜，各地區(qū)數(shù)據(jù)觀測(cè)水平參差不齊，導(dǎo)致土壤溫度、水分的數(shù)據(jù)來(lái)源比較匱乏，數(shù)據(jù)匯總難度較大。傳統(tǒng)的測(cè)量方式獲取的土壤溫度和水分?jǐn)?shù)據(jù)，在測(cè)量精度、數(shù)據(jù)采集量、可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)今高精度、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的測(cè)量需求。與此同時(shí)，傳統(tǒng)的土壤溫度、水分測(cè)量?jī)x器也只能測(cè)得單一的土壤表層的溫度、水分?jǐn)?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(shí)時(shí)、自動(dòng)連續(xù)測(cè)量土壤溫度、水分的方法和儀器。

隨著現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展日益成熟，其被廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)傳感器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)氣象站、智能交通、智能家居等眾多領(lǐng)域。ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的低功耗、短距離、低成本、布網(wǎng)靈活等特點(diǎn)十分適合用于需要自動(dòng)連續(xù)采集數(shù)據(jù)、局域分布測(cè)量、大范圍聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的測(cè)量場(chǎng)合。通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以方便地實(shí)現(xiàn)多個(gè)土壤溫度、水分傳感器的分散布局，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)土壤測(cè)量參數(shù)的收集處理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(cè)量的區(qū)域范圍大小來(lái)定。每組傳感器在待測(cè)土壤垂直梯度方向上以每隔20 cm間距依次布局7～8個(gè)左右的傳感器。在待測(cè)土壤區(qū)域垂直挖掘出一個(gè)深度d≥1.5 m的圓柱形深坑。同時(shí)將傳感器通過(guò)類(lèi)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(shí)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(shè)如圖1所示。

    土壤溫度和水分傳感器信號(hào)分別經(jīng)過(guò)前端信號(hào)的放大和采樣電路送至各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)多路的土壤梯度溫度、水分測(cè)量，傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)單片機(jī)引腳信號(hào)來(lái)控制多路模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)自動(dòng)選擇所需轉(zhuǎn)換的通道。

    每組傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥x用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方便、可靠，可由中心采集節(jié)點(diǎn)完成對(duì)周?chē)鷤鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集結(jié)。在自建立網(wǎng)絡(luò)完成后，傳感器節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)建立綁定關(guān)系，周期性的向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)在固定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到采集節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答消息時(shí)能自動(dòng)重組網(wǎng)絡(luò)，重新尋找新的采集節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，可通過(guò)全功能路由節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳遞，來(lái)擴(kuò)大整個(gè)數(shù)據(jù)采集范圍。最終采集節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的校正處理，提升其測(cè)量精度，得出理想可靠的實(shí)時(shí)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(guò)GPRS模塊或者RS232/RS485通信接口傳送至數(shù)據(jù)顯示終端進(jìn)行觀測(cè)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(hào)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(lái)自TI公司的16位低功耗處理器，多達(dá)5種低功耗模式適用于設(shè)計(jì)干電池供電要求的設(shè)備，片上集成性能出色的外設(shè)模塊，片內(nèi)有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協(xié)處理器CC2480通過(guò)4線(xiàn)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(hào)采集通過(guò)適合于埋設(shè)在土壤中測(cè)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(lái)完成。此外，對(duì)于鉑熱電阻測(cè)得的微弱電流信號(hào)需通過(guò)低功耗儀表放大器AD8226實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)，通過(guò)簡(jiǎn)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(cè)量的三線(xiàn)制PT100鉑熱電阻，其外層封裝適用于長(zhǎng)期埋設(shè)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(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性度，且精度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性強(qiáng)。其阻值和溫度滿(mǎn)足以下關(guān)系：當(dāng)-200℃≤t ≤0℃時(shí)，Rt=R0×[1+At+Bt2+C×(t-100)×t3];在0℃≤t≤850℃時(shí)，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(xiàn)制的鉑熱電阻隨著使用距離的延長(zhǎng)會(huì)增加導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度，由線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加誤差使得測(cè)量結(jié)果誤差較大。三線(xiàn)制的鉑熱電阻將導(dǎo)線(xiàn)的一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到相應(yīng)的電橋橋臂上。采用全等臂電橋時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)電阻的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)，而且測(cè)量距離較遠(yuǎn)，多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。四線(xiàn)制鉑熱電阻，通過(guò)兩端導(dǎo)線(xiàn)接入恒流源，直接通過(guò)另外兩根導(dǎo)線(xiàn)測(cè)得鉑熱電阻值。測(cè)得的電阻值精度很高，完全不受導(dǎo)線(xiàn)電阻影響，但測(cè)量距離較短、成本較高，多用于實(shí)驗(yàn)使用。

    綜合比較，采用三線(xiàn)PT100配合電橋方案。三線(xiàn)制PT100通過(guò)電橋電路實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的提取，這樣不僅可以通過(guò)改變引線(xiàn)的長(zhǎng)短實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，還能很好地避免溫度對(duì)測(cè)溫電路的影響。電橋測(cè)得的差分信號(hào)接入到低功耗儀表放大器AD8226的輸入端，該款儀表放大器來(lái)自ADI公司，專(zhuān)為多通道、低功耗前端微信號(hào)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(guò)外接精密電阻RG調(diào)整其放大倍數(shù)，滿(mǎn)足測(cè)量放大要求。其正電源接5 V電壓，負(fù)電源接地，為了減少干擾，接有0.1μF的去耦電容。

原始信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再經(jīng)過(guò)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(jí)外置多路低功耗模擬開(kāi)關(guān)ADG758。8選1多路模擬開(kāi)關(guān)ADG758專(zhuān)為低功耗所設(shè)計(jì)，通過(guò)ADG758的引腳A0～A2與MSP430F149主控制器相連，實(shí)現(xiàn)三線(xiàn)譯碼選通，來(lái)控制各個(gè)傳感器通道的選通使用。模擬開(kāi)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量土壤梯度溫度、水分參數(shù)提供了可能。傳感器測(cè)溫電路如圖4所示。經(jīng)過(guò)恒溫箱標(biāo)定后，所需測(cè)量的土壤溫度范圍變化為-40～80℃，測(cè)量誤差為±0.4℃。

土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類(lèi)型土壤水分傳感器。這種測(cè)量方法與烘干稱(chēng)重法、中子儀測(cè)量法、TDR等土壤水分測(cè)量方法相比較，具有快速、準(zhǔn)確、連續(xù)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)須擾動(dòng)土壤。同時(shí)，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)土壤水分變化，性能出色，且價(jià)格相對(duì)低廉、沒(méi)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(hào)，通過(guò)高精密電阻采樣信號(hào)，送入多路模擬開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(jī)模式下只有低于0.6μA的電流損耗。與其前代CC2430芯片類(lèi)似，不同的是CC2480自帶有ZigBee協(xié)議棧，并且支持TI公司的10個(gè)Simple API，通過(guò)SPI/UART接口可以和任意一款主控芯片之間實(shí)現(xiàn)交互通信。使用靈活性強(qiáng)，大大降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的復(fù)雜度，可以更好地支持多傳感器智能網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。CC2480可以在ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)中的通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。CC2480接口電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

   系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是按功能塊劃分為若干個(gè)模塊進(jìn)行編寫(xiě)設(shè)計(jì)，主體循環(huán)就是對(duì)各個(gè)功能函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理以及無(wú)線(xiàn)通信與發(fā)送。整個(gè)軟件的編寫(xiě)使用的是靈活性強(qiáng)、可讀性和可移植性強(qiáng)的C語(yǔ)言，在IAR for MSP430集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成開(kāi)發(fā)和最終調(diào)試。

    主要的函數(shù)包括主函數(shù)、溫度測(cè)量、水分測(cè)量、溫度測(cè)量線(xiàn)性化校正、數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ軌K，以及RS232/RS485底層驅(qū)動(dòng)。溫度測(cè)量功能塊實(shí)現(xiàn)的是對(duì)PT100電橋測(cè)溫電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果功能;水分測(cè)量功能塊負(fù)責(zé)將對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成實(shí)際水分值，并進(jìn)行存儲(chǔ);溫度測(cè)量線(xiàn)性化校正功能塊通過(guò)查詢(xún)鉑熱電阻的線(xiàn)性校正表來(lái)提高溫度測(cè)量的精度;數(shù)據(jù)發(fā)送格式處理功能塊完成對(duì)土壤溫度、水分?jǐn)?shù)據(jù)的打包處理;無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能塊主要是通過(guò)對(duì)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(wú)線(xiàn)發(fā)送。各個(gè)子函數(shù)之間保持各自獨(dú)立完整性，能在主函數(shù)中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫調(diào)用。

為了適應(yīng)于無(wú)人值守的野外使用，應(yīng)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置好看門(mén)狗定時(shí)時(shí)間。同時(shí)為了節(jié)約能耗、延長(zhǎng)電池壽命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)可選用低頻率時(shí)鐘以及關(guān)閉CPU，或者在CPU數(shù)據(jù)處理時(shí)關(guān)閉ADC。在不需要測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)可進(jìn)入極低功耗模式節(jié)省能耗。測(cè)量節(jié)點(diǎn)程序流程如圖7所示。

結(jié)語(yǔ)

    本土壤溫度、水分梯度測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)特殊土壤梯度方式鋪設(shè)土壤溫度、水分傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)于立體式土壤溫度、水分的測(cè)量。選用了廉價(jià)可靠、性能出色的傳感器，可滿(mǎn)足大規(guī)模布設(shè)的要求。通過(guò)相應(yīng)的軟件校正消除非線(xiàn)性誤差，在一定范圍內(nèi)提升到比較高的測(cè)量精度，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。前端多路土壤傳感器信號(hào)通過(guò)低功耗多路模擬開(kāi)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)自動(dòng)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)最終完成測(cè)量所得數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸。通過(guò)對(duì)MSP430F149的低功耗模式配合，各個(gè)低功耗器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體系統(tǒng)的能耗控制，也為野外無(wú)人值守情況下的長(zhǎng)時(shí)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(wú)人值守情況下的土壤溫度、水分連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)以及農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境檢測(cè)等多種場(chǎng)合。