基于CC2480的土壤溫度和水分梯度測量系統(tǒng)

系統(tǒng)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(wěn)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(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(yè)現(xiàn)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(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(shù)，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(shù)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(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ADG758的輸出端D與MSP430F149的內置高精度12位模數(shù)轉換器相連接，節(jié)約了額外的模數(shù)轉換芯片，從而降低了成本，為實現(xiàn)大規(guī)模傳感器網絡測量土壤梯度溫度、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℃。

土壤水分傳感器選用的是FDR(頻域反射)類型土壤水分傳感器。這種測量方法與烘干稱重法、中子儀測量法、TDR等土壤水分測量方法相比較，具有快速、準確、連續(xù)測量等優(yōu)點，無須擾動土壤。同時，能夠自動監(jiān)測土壤水分變化，性能出色，且價格相對低廉、沒有放射性污染。該FDR土壤水分傳感器輸出0～5 V的電壓信號，通過高精密電阻采樣信號，送入多路模擬開關，經A／D轉換成數(shù)字量即可。FDR土壤水分傳感器采樣電路如圖5所示。