摘要：介紹了一種通過ZigBee無線數據傳輸方法來自動采集土壤溫度和水分梯度數據的測量系統。詳細介紹了以MSP430F149為主控制器，通過與ZigBee協處理器CC2480的交互通信，實現土壤溫度和水分梯度測量節點的大規模智能化網絡布局。最終數據采集節點通過GPRS公共信道或有線傳輸至數據接收終端。與傳統的單點地表測量系統相比，本測量系統具有布置靈活、自動連續、低功耗、測量結果精度高等特點，為農田監測、水土保持、環境保護等領域提供了可靠、有效的監測手段。
關鍵詞：ZigBee；水份梯度；MSP430F149；智能化；CC2480

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。