引言
長久以來，土壤的溫度、水分一直是農業研究領域的重點研究對象。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作物的生長產生極大的影響。很多研究表明，在土地水土保持、農業節水灌溉、土壤的肥力調配、大范圍的局地性氣候變化和生態環境保護諸多研究領域中，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，在農業、環境科學、氣象等多個研究領域中，都把土壤溫度、水分作為研究觀測的基本對象。
由于我國的地理環境情況復雜，各地區數據觀測水平參差不齊，導致土壤溫度、水分的數據來源比較匱乏，數據匯總難度較大。傳統的測量方式獲取的土壤溫度和水分數據，在測量精度、數據采集量、可靠性方面遠遠不能滿足現今高精度、網絡化、智能化的測量需求。與此同時，傳統的土壤溫度、水分測量儀器也只能測得單一的土壤表層的溫度、水分數據，缺乏能夠在大范圍區域和土壤的垂直梯度方向上完整、實時、自動連續測量土壤溫度、水分的方法和儀器。
隨著現代工業自動化技術的不斷進步，ZigBee無線通信技術的發展日益成熟，其被廣泛應用于無線傳感器測量網絡、自動氣象站、智能交通、智能家居等眾多領域。ZigBee無線通信技術的低功耗、短距離、低成本、布網靈活等特點十分適合用于需要自動連續采集數據、局域分布測量、大范圍聯網數據處理的測量場合。通過ZigBee無線網絡可以方便地實現多個土壤溫度、水分傳感器的分散布局，從而可以方便地實現土壤測量參數的收集處理。
1 系統設計原理及結構
系統的前端數據采集包括土壤溫度、水分傳感器若干組，具體根據測量的區域范圍大小來定。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過前端信號的放大和采樣電路送至各個傳感器節點上的模數轉換通道進行A/D轉換。為了實現多路的土壤梯度溫度、水分測量，傳感器節點通過單片機引腳信號來控制多路模擬開關，實時自動選擇所需轉換的通道。
每組傳感器節點自動地建立一個網絡，整個無線網絡拓撲選用星型網絡結構，該網絡結構方便、可靠，可由中心采集節點完成對周圍傳感器節點的數據集結。在自建立網絡完成后，傳感器節點與采集節點建立綁定關系，周期性的向采集節點發送數據。傳感器節點在固定時間內沒有收到采集節點的應答消息時能自動重組網絡，重新尋找新的采集節點。同時，可通過全功能路由節點來實現數據的接力傳遞，來擴大整個數據采集范圍。最終采集節點將數據進行內部存儲，對所得數據進行相關的校正處理，提升其測量精度，得出理想可靠的實時數據。按照行業規范的統一數據傳輸格式調制數據，最終通過GPRS模塊或者RS232/RS485通信接口傳送至數據顯示終端進行觀測分析。系統結構圖如圖2所示。
2 系統硬件結構
系統的硬件部分主要包括前端信號采集放大電路和數據通信電路兩部分，系統硬件結構框圖如圖3所示。
系統硬件結構包括有主控制器MSP430F149，CC2480協處理器，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，片內有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee協處理器CC2480通過4線SPI接口和主控MCU的通信完成數據的傳輸采集。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具有良好的線性度，且精度高、穩定性好、耐沖擊性強。其阻值和溫度滿足以下關系：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;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，多用于工業現場使用。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通過電橋電路實現溫度信號的提取，這樣不僅可以通過改變引線的長短實現對測量結果的影響，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調整其放大倍數，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。
原始信號經過放大后再經過AD8226的Vref(1 V)抬升電壓，抬升至適合數模轉換參考電壓范圍內，輸入到前級外置多路低功耗模擬開關ADG758。8選1多路模擬開關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ADG758的輸出端D與MSP430F149的內置高精度12位模數轉換器相連接，節約了額外的模數轉換芯片，從而降低了成本，為實現大規模傳感器網絡測量土壤梯度溫度、水分參數提供了可能。傳感器測溫電路如圖4所示。經過恒溫箱標定后，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、連續測量等優點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監測土壤水分變化，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，經A/D轉換成數字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。
2.2 無線數據通信電路
CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee協議的射頻芯片，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交互通信。使用靈活性強，大大降低了系統開發的復雜度，可以更好地支持多傳感器智能網絡的實現。CC2480可以在ZigBee無線網絡中擔任終端設備節點、路由節點、協調器節點，在網絡中的通用性強，應用范圍廣。CC2480接口電路如圖6所示。
3 系統軟件設計
系統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，主體循環就是對各個功能函數進行調用，完成系統的數據采集、處理以及無線通信與發送。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集成開發環境下完成開發和最終調試。
主要的函數包括主函數、溫度測量、水分測量、溫度測量線性化校正、數據發送格式處理、無線數據傳輸等功能塊，以及RS232/RS485底層驅動。溫度測量功能塊實現的是對PT100電橋測溫電路的模數轉換并存儲轉換結果功能;水分測量功能塊負責將對應的電壓信號轉化成實際水分值，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;數據發送格式處理功能塊完成對土壤溫度、水分數據的打包處理;無線數據傳輸功能塊主要是通過對CC2480協處理器的控制函數和協議棧的調用完成數據的無線發送。各個子函數之間保持各自獨立完整性，能在主函數中實現無縫調用。
為了適應于無人值守的野外使用，應適當的設置好看門狗定時時間。同時為了節約能耗、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轉換時可選用低頻率時鐘以及關閉CPU，或者在CPU數據處理時關閉ADC。在不需要測量時，系統可進入極低功耗模式節省能耗。測量節點程序流程如圖7所示。
結語
本土壤溫度、水分梯度測量系統，通過特殊土壤梯度方式鋪設土壤溫度、水分傳感器，實現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依次選通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A/D轉換通道進行A/D轉換。各個傳感器節點自動與數據采集節點組網最終完成測量所得數據的無線傳輸。通過對MSP430F149的低功耗模式配合，各個低功耗器件實現了對整體系統的能耗控制，也為野外無人值守情況下的長時間電池供電提供了保障。本系統可適用于大規模野外無人值守情況下的土壤溫度、水分連續自動監測以及農業土壤環境檢測等多種場合。