基于CC2480的土壤温度和水分梯度测量系统

原始信号经过放大后再经过AD8226的Vref(1 V)抬升电压，抬升至适合数模转换参考电压范围内，输入到前级外置多路低功耗模拟开关ADG758。8选1多路模拟开关ADG758专为低功耗所设计，通过ADG758的引脚A0～A2与MSP430F149主控制器相连，实现三线译码选通，来控制各个传感器通道的选通使用。模拟开关ADG758的输出端D与MSP430F149的内置高精度12位模数转换器相连接，节约了额外的模数转换芯片，从而降低了成本，为实现大规模传感器网络测量土壤梯度温度、水分参数提供了可能。传感器测温电路如图4所示。经过恒温箱标定后，所需测量的土壤温度范围变化为-40～80℃，测量误差为±0．4℃。

土壤水分传感器选用的是FDR(频域反射)类型土壤水分传感器。这种测量方法与烘干称重法、中子仪测量法、TDR等土壤水分测量方法相比较，具有快速、准确、连续测量等优点，无须扰动土壤。同时，能够自动监测土壤水分变化，性能出色，且价格相对低廉、没有放射性污染。该FDR土壤水分传感器输出0～5 V的电压信号，通过高精密电阻采样信号，送入多路模拟开关，经A／D转换成数字量即可。FDR土壤水分传感器采样电路如图5所示。

2．2 无线数据通信电路
CC2480是TI公司出品的一款支持ZigBee协议的射频芯片，具有较低的功耗，在待机模式下只有低于0．6μA的电流损耗。与其前代CC2430芯片类似，不同的是CC2480自带有ZigBee协议栈，并且支持TI公司的10个Simple API，通过SPI／UART接口可以和任意一款主控芯片之间实现交互通信。使用灵活性强，大大降低了系统开发的复杂度，可以更好地支持多传感器智能网络的实现。CC2480可以在ZigBee无线网络中担任终端设备节点、路由节点、协调器节点，在网络中的通用性强，应用范围广。CC2480接口电路如图6所示。

3 系统软件设计
系统软件部分的设计主要是按功能块划分为若干个模块进行编写设计，主体循环就是对各个功能函数进行调用，完成系统的数据采集、处理以及无线通信与发送。整个软件的编写使用的是灵活性强、可读性和可移植性强的C语言，在IAR for MSP430集成开发环境下完成开发和最终调试。
主要的函数包括主函数、温度测量、水分测量、温度测量线性化校正、数据发送格式处理、无线数据传输等功能块，以及RS232／RS485底层驱动。温度测量功能块实现的是对PT100电桥测温电路的模数转换并存储转换结果功能；水分测量功能块负责将对应的电压信号转化成实际水分值，并进行存储；温度测量线性化校正功能块通过查询铂热电阻的线性校正表来提高温度测量的精度；数据发送格式处理功能块完成对土壤温度、水分数据的打包处理；无线数据传输功能块主要是通过对CC2480协处理器的控制函数和协议栈的调用完成数据的无线发送。各个子函数之间保持各自独立完整性，能在主函数中实现无缝调用。
为了适应于无人值守的野外使用，应适当的设置好看门狗定时时间。同时为了节约能耗、延长电池寿命，需要充分利用MSP430F149的低功耗控制模式，在进行A／D转换时可选用低频率时钟以及关闭CPU，或者在CPU数据处理时关闭ADC。在不需要测量时，系统可进入极低功耗模式节省能耗。测量节点程序流程如图7所示。

结语
本土壤温度、水分梯度测量系统，通过特殊土壤梯度方式铺设土壤温度、水分传感器，实现对于立体式土壤温度、水分的测量。选用了廉价可靠、性能出色的传感器，可满足大规模布设的要求。通过相应的软件校正消除非线性误差，在一定范围内提升到比较高的测量精度，满足了设计要求。前端多路土壤传感器信号通过低功耗多路模拟开关依次选通，送入低功耗高性能的MSP430F149的12位A／D转换通道进行A／D转换。各个传感器节点自动与数据采集节点组网最终完成测量所得数据的无线传输。通过对MSP430F149的低功耗模式配合，各个低功耗器件实现了对整体系统的能耗控制，也为野外无人值守情况下的长时间电池供电提供了保障。本系统可适用于大规模野外无人值守情况下的土壤温度、水分连续自动监测以及农业土壤环境检测等多种场合。