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(xì)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(xué)、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(fù)雜，各地區(qū)數(shù)據(jù)觀測水平參差不齊，導(dǎo)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?jǐn)?shù)據(jù)，在測量精度、數(shù)據(jù)采集量、可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今高精度、網(wǎng)絡(luò)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?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(yīng)用于無線傳感器測量網(wǎng)絡(luò)、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(luò)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(shè)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(shè)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(luò)，整個無線網(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(luò)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(yīng)答消息時能自動重組網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計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(shè)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(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(dāng)-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(dǎo)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(dǎo)線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，導(dǎo)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(yuǎn)，多用于工業(yè)現(xiàn)場使用。四線制鉑熱電阻，通過兩端導(dǎo)線接入恒流源，直接通過另外兩根導(dǎo)線測得鉑熱電阻值。測得的電阻值精度很高，完全不受導(dǎo)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(fù)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(shè)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(luò)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(biāo)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℃。