淺析基于CC2480的水分梯度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：介紹了一種通過ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸方法來自動(dòng)采集土壤溫度和水分梯度數(shù)據(jù)的測(cè)量系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了以MSP430F149為主控制器，通過與ZigBee協(xié)處理器CC2480的交互通信，實(shí)現(xiàn)土壤溫度和水分梯度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模智能化網(wǎng)絡(luò)布局。最終數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)通過GPRS公共信道或有線傳輸至數(shù)據(jù)接收終端。與傳統(tǒng)的單點(diǎn)地表測(cè)量系統(tǒng)相比，本測(cè)量系統(tǒng)具有布置靈活、自動(dòng)連續(xù)、低功耗、測(cè)量結(jié)果精度高等特點(diǎn)，為農(nóng)田監(jiān)測(cè)、水土保持、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域提供了可靠、有效的監(jiān)測(cè)手段。

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

引言

長(zhǎng)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(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(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無線通信技術(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ZigBee無線網(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(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)通過單片機(jī)引腳信號(hào)來控制多路模擬開關(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(diǎn)完成對(duì)周圍傳感器節(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)，可通過全功能路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳遞，來擴(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(hào)采集通過適合于埋設(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)具有良好的線性度，且精度高、穩(wěn)定性好、耐沖擊性強(qiáng)。其阻值和溫度滿足以下關(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。

兩線制的鉑熱電阻隨著使用距離的延長(zhǎng)會(huì)增加導(dǎo)線的長(zhǎng)度，由線電阻帶來的附加誤差使得測(cè)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(shí)，導(dǎo)線電阻的變化對(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(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。