基于CC2480的土壤溫度和水分梯度測(cè)量系統(tǒng)

摘要：介紹了一種通過(guò)ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方法來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)，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(guó)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(lái)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(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展日益成熟，其被廣泛應(yīng)用于無(wú)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(wú)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(guò)ZigBee無(wú)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(lái)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(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(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(guò)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(guò)單片機(jī)引腳信號(hào)來(lái)控制多路模擬開(kāi)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(wú)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?chē)鷤鞲衅鞴?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(méi)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(guò)全功能路由節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接力傳遞，來(lái)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(guò)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。