淺析基于CC2480的水分梯度測量系統設計方案

摘要：介紹了一種通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)數據傳輸方法來(lái)自動(dòng)采集土壤溫度和水分梯度數據的測量系統。詳細介紹了以MSP430F149為主控制器，通過(guò)與ZigBee協(xié)處理器CC2480的交互通信，實(shí)現土壤溫度和水分梯度測量節點(diǎn)的大規模智能化網(wǎng)絡(luò )布局。最終數據采集節點(diǎn)通過(guò)GPRS公共信道或有線(xiàn)傳輸至數據接收終端。與傳統的單點(diǎn)地表測量系統相比，本測量系統具有布置靈活、自動(dòng)連續、低功耗、測量結果精度高等特點(diǎn)，為農田監測、水土保持、環(huán)境保護等領(lǐng)域提供了可靠、有效的監測手段。

關(guān)鍵詞：ZigBee;水份梯度;MSP430F149;智能化;CC2480

引言

長(cháng)久以來(lái)，土壤的溫度、水分一直是農業(yè)研究領(lǐng)域的重點(diǎn)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(huì )對農作物的生長(cháng)產(chǎn)生極大的影響。很多研究表明，在土地水土保持、農業(yè)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(tài)環(huán)境保護諸多研究領(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(guān)測的基本對象。

由于我國的地理環(huán)境情況復雜，各地區數據觀(guān)測水平參差不齊，導致土壤溫度、水分的數據來(lái)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(mǎn)足現今高精度、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的測量需求。與此同時(shí)，傳統的土壤溫度、水分測量?jì)x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(shí)時(shí)、自動(dòng)連續測量土壤溫度、水分的方法和儀器。

隨著(zhù)現代工業(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，其被廣泛應用于無(wú)線(xiàn)傳感器測量網(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)連續采集數據、局域分布測量、大范圍聯(lián)網(wǎng)數據處理的測量場(chǎng)合。通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以方便地實(shí)現多個(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(lái)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(gè)左右的傳感器。在待測土壤區域垂直挖掘出一個(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(guò)前端信號的放大和采樣電路送至各個(gè)傳感器節點(diǎn)上的模數轉換通道進(jìn)行A/D轉換。為了實(shí)現多路的土壤梯度溫度、水分測量，傳感器節點(diǎn)通過(guò)單片機引腳信號來(lái)控制多路模擬開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)自動(dòng)選擇所需轉換的通道。

每組傳感器節點(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 )拓撲選用星型網(wǎng)絡(luò )結構，該網(wǎng)絡(luò )結構方便、可靠，可由中心采集節點(diǎn)完成對周?chē)鷤鞲衅鞴濣c(diǎn)的數據集結。在自建立網(wǎng)絡(luò )完成后，傳感器節點(diǎn)與采集節點(diǎn)建立綁定關(guān)系，周期性的向采集節點(diǎn)發(fā)送數據。傳感器節點(diǎn)在固定時(shí)間內沒(méi)有收到采集節點(diǎn)的應答消息時(shí)能自動(dòng)重組網(wǎng)絡(luò )，重新尋找新的采集節點(diǎn)。同時(shí)，可通過(guò)全功能路由節點(diǎn)來(lái)實(shí)現數據的接力傳遞，來(lái)擴大整個(gè)數據采集范圍。最終采集節點(diǎn)將數據進(jìn)行內部存儲，對所得數據進(jìn)行相關(guān)的校正處理，提升其測量精度，得出理想可靠的實(shí)時(shí)數據。按照行業(yè)規范的統一數據傳輸格式調制數據，最終通過(guò)GPRS模塊或者RS232/RS485通信接口傳送至數據顯示終端進(jìn)行觀(guān)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(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(xié)處理器CC2480通過(guò)4線(xiàn)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(guò)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(lái)完成。此外，對于鉑熱電阻測得的微弱電流信號需通過(guò)低功耗儀表放大器AD8226實(shí)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(guò)簡(jiǎn)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(xiàn)制PT100鉑熱電阻，其外層封裝適用于長(cháng)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(xiàn)性度，且精度高、穩定性好、耐沖擊性強。其阻值和溫度滿(mǎn)足以下關(guān)系：當-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;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(zhù)使用距離的延長(cháng)會(huì )增加導線(xiàn)的長(cháng)度，由線(xiàn)電阻帶來(lái)的附加誤差使得測量結果誤差較大。三線(xiàn)制的鉑熱電阻將導線(xiàn)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(shí)，導線(xiàn)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(yè)現場(chǎng)使用。四線(xiàn)制鉑熱電阻，通過(guò)兩端導線(xiàn)接入恒流源，直接通過(guò)另外兩根導線(xiàn)測得鉑熱電阻值。測得的電阻值精度很高，完全不受導線(xiàn)電阻影響，但測量距離較短、成本較高，多用于實(shí)驗使用。