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℃。