基于CC2480的土壤温度和水分梯度测量系统

介绍了一种通过ZigBee无线数据传输方法来自动采集土壤温度和水分梯度数据的测量系统。详细介绍了以MSP430F149为主控制器，通过与ZigBee协处理器CC2480的交互通信，实现土壤温度和水分梯度测量节点的大规模智能化网络布局。最终数据采集节点通过GPRS公共信道或有线传输至数据接收终端。与传统的单点地表测量系统相比，本测量系统具有布置灵活、自动连续、低功耗、测量结果精度高等特点，为农田监测、水土保持、环境保护等领域提供了可靠、有效的监测手段。
引言
长久以来，土壤的温度、水分一直是农业研究领域的重点研究对象。作为土壤的两大基本属性，土壤温度、水分的细微变化都会对农作物的生长产生极大的影响。很多研究表明，在土地水土保持、农业节水灌溉、土壤的肥力调配、大范围的局地性气候变化和生态环境保护诸多研究领域中，土壤温度、水分的时空性变化也是极为重要的两个参考性因素。因此，在农业、环境科学、气象等多个研究领域中，都把土壤温度、水分作为研究观测的基本对象。
由于我国的地理环境情况复杂，各地区数据观测水平参差不齐，导致土壤温度、水分的数据来源比较匮乏，数据汇总难度较大。传统的测量方式获取的土壤温度和水分数据，在测量精度、数据采集量、可靠性方面远远不能满足现今高精度、网络化、智能化的测量需求。与此同时，传统的土壤温度、水分测量仪器也只能测得单一的土壤表层的温度、水分数据，缺乏能够在大范围区域和土壤的垂直梯度方向上完整、实时、自动连续测量土壤温度、水分的方法和仪器。
随着现代工业自动化技术的不断进步，ZigBee无线通信技术的发展日益成熟，其被广泛应用于无线传感器测量网络、自动气象站、智能交通、智能家居等众多领域。ZigBee无线通信技术的低功耗、短距离、低成本、布网灵活等特点十分适合用于需要自动连续采集数据、局域分布测量、大范围联网数据处理的测量场合。通过ZigBee无线网络可以方便地实现多个土壤温度、水分传感器的分散布局，从而可以方便地实现土壤测量参数的收集处理。

1 系统设计原理及结构
系统的前端数据采集包括土壤温度、水分传感器若干组，具体根据测量的区域范围大小来定。每组传感器在待测土壤垂直梯度方向上以每隔20 cm间距依次布局7～8个左右的传感器。在待测土壤区域垂直挖掘出一个深度d≥1.5 m的圆柱形深坑。同时将传感器通过类似于卡座
固定于直径小于深坑的不锈钢圆管之中，在埋置不锈钢圆管时先在管外埋土，最后往不锈钢圆管内注入土壤。传感器梯度埋设如图1所示。

土壤温度和水分传感器信号分别经过前端信号的放大和采样电路送至各个传感器节点上的模数转换通道进行A／D转换。为了实现多路的土壤梯度温度、水分测量，传感器节点通过单片机引脚信号来控制多路模拟开关，实时自动选择所需转换的通道。
每组传感器节点自动地建立一个网络，整个无线网络拓扑选用星型网络结构，该网络结构方便、可靠，可由中心采集节点完成对周围传感器节点的数据集结。在自建立网络完成后，传感器节点与采集节点建立绑定关系，周期性的向采集节点发送数据。传感器节点在固定时间内没有收到采集节点的应答消息时能自动重组网络，重新寻找新的采集节点。同时，可通过全功能路由节点来实现数据的接力传递，来扩大整个数据采集范围。最终采集节点将数据进行内部存储，对所得数据进行相关的校正处理，提升其测量精度，得出理想可靠的实时数据。按照行业规范的统一数据传输格式调制数据，最终通过GPRS模块或者RS232／RS485通信接口传送至数据显示终端进行观测分析。系统结构图如图2所示。

2 系统硬件结构
系统的硬件部分主要包括前端信号采集放大电路和数据通信电路两部分，系统硬件结构框图如图3所示。

系统硬件结构包括有主控制器MSP430F149，CC2480协处理器，电池电源，多路土壤温度、水分传感器电路以及采样放大电路。主控制器MSP430F149是一款来自TI公司的16位低功耗处理器，多达5种低功耗模式适用于设计干电池供电要求的设备，片上集成性能出色的外设模块，片内有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee协处理器CC2480通过4线SPI接口和主控MCU的通信完成数据的传输采集。前端信号采集通过适合于埋设在土壤中测量土壤温度、水分的PT100铂热电阻和多路FDR土壤水分传感器来完成。此外，对于铂热电阻测得的微弱电流信号需通过低功耗仪表放大器AD8226实现信号的放大和抬升。而多路FDR土壤水分传感器则是直接输出电压信号，通过简单的电阻转换采样即可使用。
2.1 传感器电路
土壤温度、水分传感器选用了适合于土壤测量的三线制PT100铂热电阻，其外层封装适用于长期埋设于土壤层中。PT100铂热电阻值随温度的变化而变换，其在常温测量范围内具有良好的线性度，且精度高、稳定性好、耐冲击性强。其阻值和温度满足以下关系：当-200℃≤t ≤0℃时，Rt=R0×[1+At+Bt2+C×(t-100)×t3]；在0℃≤t≤850℃时，Rt=R0×(1+At+Bt2)。A、B、C为温度系数；Rt为t℃下的电阻值；R0为0℃下的电阻值。
两线制的铂热电阻随着使用距离的延长会增加导线的长度，由线电阻带来的附加误差使得测量结果误差较大。三线制的铂热电阻将导线的一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到相应的电桥桥臂上。采用全等臂电桥时，导线电阻的变化对测量结果的影响几乎可以忽略不计，而且测量距离较远，多用于工业现场使用。四线制铂热电阻，通过两端导线接入恒流源，直接通过另外两根导线测得铂热电阻值。测得的电阻值精度很高，完全不受导线电阻影响，但测量距离较短、成本较高，多用于实验使用。
综合比较，采用三线PT100配合电桥方案。三线制PT100通过电桥电路实现温度信号的提取，这样不仅可以通过改变引线的长短实现对测量结果的影响，还能很好地避免温度对测温电路的影响。电桥测得的差分信号接入到低功耗仪表放大器AD8226的输入端，该款仪表放大器来自ADI公司，专为多通道、低功耗前端微信号放大使用，具有出色的共模抑制比、极低的偏置电流以及轨到轨输出。通过外接精密电阻RG调整其放大倍数，满足测量放大要求。其正电源接5 V电压，负电源接地，为了减少干扰，接有0.1μF的去耦电容。

原始信号经过放大后再经过AD8226的Vref(1 V)抬升电压，抬升至适合数模转换参考电压范围内，输入到前级外置多路低功耗模拟开关ADG758。8选1多路模拟开关ADG758专为低功耗所设计，通过ADG758的引脚A0～A2与MSP430F149主控制器相连，实现三线译码选通，来控制各个传感器通道的选通使用。模拟开关ADG758的输出端D与MSP430F149的内置高精度12位模数转换器相连接，节约了额外的模数转换芯片，从而降低了成本，为实现大规模传感器网络测量土壤梯度温度、水分参数提供了可能。传感器测温电路如图4所示。经过恒温箱标定后，所需测量的土壤温度范围变化为-40～80℃，测量误差为±0.4℃。

土壤水分传感器选用的是FDR(频域反射)类型土壤水分传感器。这种测量方法与烘干称重法、中子仪测量法、TDR等土壤水分测量方法相比较，具有快速、准确、连续测量等优点，无须扰动土壤。同时，能够自动监测土壤水分变化，性能出色，且价格相对低廉、没有放射性污染。该FDR土壤水分传感器输出0～5 V的电压信号，通过高精密电阻采样信号，送入多路模拟开关，经A／D转换成数字量即可。FDR土壤水分传感器采样电路如图5所示。

2.2 无线数据通信电路
CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee协议的射频芯片，具有较低的功耗，在待机模式下只有低于0.6μA的电流损耗。与其前代CC2430芯片类似，不同的是CC2480自带有ZigBee协议栈，并且支持TI公司的10个Simple API，通过SPI／UART接口可以和任意一款主控芯片之间实现交互通信。使用灵活性强，大大降低了系统开发的复杂度，可以更好地支持多传感器智能网络的实现。CC2480可以在ZigBee无线网络中担任终端设备节点、路由节点、协调器节点，在网络中的通用性强，应用范围广。CC2480接口电路如图6所示。

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3 系统软件设计
系统软件部分的设计主要是按功能块划分为若干个模块进行编写设计，主体循环就是对各个功能函数进行调用，完成系统的数据采集、处理以及无线通信与发送。整个软件的编写使用的是灵活性强、可读性和可移植性强的C语言，在IAR for MSP430集成开发环境下完成开发和最终调试。
主要的函数包括主函数、温度测量、水分测量、温度测量线性化校正、数据发送格式处理、无线数据传输等功能块，以及RS232／RS485底层驱动。温度测量功能块实现的是对PT100电桥测温电路的模数转换并存储转换结果功能；水分测量功能块负责将对应的电压信号转化成实际水分值，并进行存储；温度测量线性化校正功能块通过查询铂热电阻的线性校正表来提高温度测量的精度；数据发送格式处理功能块完成对土壤温度、水分数据的打包处理；无线数据传输功能块主要是通过对CC2480协处理器的控制函数和协议栈的调用完成数据的无线发送。各个子函数之间保持各自独立完整性，能在主函数中实现无缝调用。
为了适应于无人值守的野外使用，应适当的设置好看门狗定时时间。同时为了节约能耗、延长电池寿命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在进行A／D转换时可选用低频率时钟以及关闭CPU，或者在CPU数据处理时关闭ADC。在不需要测量时，系统可进入极低功耗模式节省能耗。测量节点程序流程如图7所示。

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结语
本土壤温度、水分梯度测量系统，通过特殊土壤梯度方式铺设土壤温度、水分传感器，实现对于立体式土壤温度、水分的测量。选用了廉价可靠、性能出色的传感器，可满足大规模布设的要求。通过相应的软件校正消除非线性误差，在一定范围内提升到比较高的测量精度，满足了设计要求。前端多路土壤传感器信号通过低功耗多路模拟开关依次选通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A／D转换通道进行A／D转换。各个传感器节点自动与数据采集节点组网最终完成测量所得数据的无线传输。通过对MSP430F149的低功耗模式配合，各个低功耗器件实现了对整体系统的能耗控制，也为野外无人值守情况下的长时间电池供电提供了保障。本系统可适用于大规模野外无人值守情况下的土壤温度、水分连续自动监测以及农业土壤环境检测等多种场合。