基于CC2480的土壤温度和水分梯度测量系统

系统硬件结构包括有主控制器MSP430F149，CC2480协处理器，电池电源，多路土壤温度、水分传感器电路以及采样放大电路。主控制器MSP430F149是一款来自TI公司的16位低功耗处理器，多达5种低功耗模式适用于设计干电池供电要求的设备，片上集成性能出色的外设模块，片内有60 KB的Flash和2 KB的RAM。ZigBee协处理器CC2480通过4线SPI接口和主控MCU的通信完成数据的传输采集。前端信号采集通过适合于埋设在土壤中测量土壤温度、水分的PT100铂热电阻和多路FDR土壤水分传感器来完成。此外，对于铂热电阻测得的微弱电流信号需通过低功耗仪表放大器AD8226实现信号的放大和抬升。而多路FDR土壤水分传感器则是直接输出电压信号，通过简单的电阻转换采样即可使用。
2．1 传感器电路
土壤温度、水分传感器选用了适合于土壤测量的三线制PT100铂热电阻，其外层封装适用于长期埋设于土壤层中。PT100铂热电阻值随温度的变化而变换，其在常温测量范围内具有良好的线性度，且精度高、稳定性好、耐冲击性强。其阻值和温度满足以下关系：当-200℃≤t ≤0℃时，Rt=R0×[1+At+Bt2+C×(t-100)×t3]；在0℃≤t≤850℃时，Rt=R0×(1+At+Bt2)。A、B、C为温度系数；Rt为t℃下的电阻值；R0为0℃下的电阻值。
两线制的铂热电阻随着使用距离的延长会增加导线的长度，由线电阻带来的附加误差使得测量结果误差较大。三线制的铂热电阻将导线的一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到相应的电桥桥臂上。采用全等臂电桥时，导线电阻的变化对测量结果的影响几乎可以忽略不计，而且测量距离较远，多用于工业现场使用。四线制铂热电阻，通过两端导线接入恒流源，直接通过另外两根导线测得铂热电阻值。测得的电阻值精度很高，完全不受导线电阻影响，但测量距离较短、成本较高，多用于实验使用。
综合比较，采用三线PT100配合电桥方案。三线制PT100通过电桥电路实现温度信号的提取，这样不仅可以通过改变引线的长短实现对测量结果的影响，还能很好地避免温度对测温电路的影响。电桥测得的差分信号接入到低功耗仪表放大器AD8226的输入端，该款仪表放大器来自ADI公司，专为多通道、低功耗前端微信号放大使用，具有出色的共模抑制比、极低的偏置电流以及轨到轨输出。通过外接精密电阻RG调整其放大倍数，满足测量放大要求。其正电源接5 V电压，负电源接地，为了减少干扰，接有0．1μF的去耦电容。
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。