引言
长久以来,土壤的温度、水分一直是农业研究领域的重点研究对象。作为土壤的两大基本属性,土壤温度、水分的细微变化都会对农作物的生长产生极大的影响。很多研究表明,在土地水土保持、农业节水灌溉、土壤的肥力调配、大范围的局地性气候变化和生态环境保护诸多研究领域中,土壤温度、水分的时空性变化也是极为重要的两个参考性因素。因此,在农业、环境科学、气象等多个研究领域中,都把土壤温度、水分作为研究观测的基本对象。
由于我国的地理环境情况复杂,各地区数据观测水平参差不齐,导致土壤温度、水分的数据来源比较匮乏,数据汇总难度较大。传统的测量方式获取的土壤温度和水分数据,在测量精度、数据采集量、可靠性方面远远不能满足现今高精度、网络化、智能化的测量需求。与此同时,传统的土壤温度、水分测量仪器也只能测得单一的土壤表层的温度、水分数据,缺乏能够在大范围区域和土壤的垂直梯度方向上完整、实时、自动连续测量土壤温度、水分的方法和仪器。
随着现代工业自动化技术的不断进步,ZigBee无线通信技术的发展日益成熟,其被广泛应用于无线传感器测量网络、自动气象站、智能交通、智能家居等众多领域。ZigBee无线通信技术的低功耗、短距离、低成本、布网灵活等特点十分适合用于需要自动连续采集数据、局域分布测量、大范围联网数据处理的测量场合。通过ZigBee无线网络可以方便地实现多个土壤温度、水分传感器的分散布局,从而可以方便地实现土壤测量参数的收集处理。
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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。
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 {MOD}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。
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