王吉星1，丘宗书2   

（1.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏 南京210012；
2.云南省水文水资源局红河分局，云南 开远 661000）    

    摘  要：为实现多点土壤水分传感器和现地监测终端的多点无线连接，在介绍MP-406土壤水分传感器结构原理的基础上，分析了将增强型ZigBee技术通过微功耗PIC微处理器桥接整合到MP-406土壤水分传感器中， 实现土壤水分传感器的无线网络化的具体设计。利用无线网络化技术能组成实用的土壤墒情在线监测系统，且组网简单灵活。
    关键词：ZigBee网络；土壤水分传感器；无线网络化；PIC微处理器


0    前言
   在干旱区旱情监测和分析系统建设中，普遍应用土壤水分传感器作为土壤水分监测基础值的获取手段。通过土壤分层测点布设，在此基础上研究墒情，揭示作物需水信息空间变异规律，建立水分亏缺诊断指标体系，为建设干旱区灌溉工程提供服务。目前不少地区已经提出了应用需求。
   在土壤水分信息采集系统中，常规的方法是将土壤水分传感器通过有线连接到采集终端，由终端统一采集多个土壤水分传感器信息，再进行处理和远传。墒情监测规范的基本要求是在监测点按不同深度布设3支土壤水分传感器[2]。在现场实际应用上常遇到了如下问题：
    （1）单个测量点代表性差，需要在试验块周围布设多点测量，取得测量面数据成果；
   （2）1个RTU监测终端在理论上可带多个土壤水分传感器，但受硬件接口和机箱端子数量的限制，不能大量增加连接传感器，多传感器连接存在互相影响的问题，且RTU到传感器布线太多会增加干扰，线路也不整洁美观；
   （3）RTU监测终端与各土壤水分传感器之间全部用有线连接，必然在测量区地下大量埋设传感器引线，易受耕作等人为破坏，修复维护困难。
   近年来国内许多单位研制了一些土壤水分在线监测传感仪器产品，国外也有进口仪器产品，部分地区小规模建设了土壤墒情自动监测系统，但传感器和监测终端的连接均是有线埋设连接，国内还没有实现土壤墒情传感器的无线网络化。
   随着体积更小、价格更低廉、功耗更低的网络传感器模式的出现，以及在军事、安全保障、生态监测、农业生产、空间探索等领域的应用，无线传感器网络这种新的数据采集、处理技术正逐渐成为各科研单位和企业的研究热点。无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统[1]。无线传感器网络与传统通信网络有着一定的相似之处。在一个典型的无线传感器网络中，传感器节点不仅负责监测区域内的数据采集和处理，还兼顾路由功能。但传感器节点体积小、配件简单，会使得多跳通信随着节点的增多趋于复杂。本文从土壤墒情监测应用的角度出发，谋求一种相对实用的无线解决方案。 

1    MP-406土壤水分传感器
   Whalley, White, Knight, Zegelin, Topp等人多年来的工作表明介电常数的平方根与土壤容积含水量存在线性关系，且这种关系适宜于多种土壤。利用这个原理生产的MP-406土壤水分传感器已经投入实际应用。
   MP-406由1个内含电子器件的防水室和与之一端相连的成形的4个不锈钢探针组成。这些探针直接插入土壤, 探头尾部的电缆线连接适宜的电压源和输出模拟信号。这是一种模拟设备，不断产生电信号，以电压比表示土壤性质。土壤水分传感器实际应用图见图1。
   本文以MP-406土壤水分传感器作为基础研究传感器进行无线网络化整合，其他类型的墒情传感器的整合原理应与此类似。

 图1  土壤水分传感器

2    ZigBee概念与XBee模块
   ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，也称无线传感器网络。ZigBee主要应用领域包括工业控制、楼宇自动化、野外设备连接等，要求设备符合ZigBee/IEEE 802.15.4标准。因ZigBee组网灵活，设计不同的ZigBee解决方案也成为一个热点。
    ZigBee产品的优势表现在以下方面：
    数据传输速率低：10～250 kbps，专注于低速率传输应用；
    功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6～24个月；
    成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，降低了成本；
   数据安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，是目前最新文本加密算法之一。
   根据应用环境的需求和对ZigBee产品特性的深入了解，可设计实用的网络。在一般规划设计时，必须考虑网络容量和时延。ZigBee标准的网络容量虽然可以支持最多6.5万个网络节点，每2相邻节点完成1次通信需要15 ms时间。但在实际应用中需要考虑网络覆盖范围和响应时间。单点容量大了，覆盖范围扩充不大；响应时间大了，应用业务实现不了。这就需要根据应用环境的不同，设计有效的网络拓扑组合来满足各种不同应用。
   在土壤含水量监测中由于传感器节点不多，可以简化设计，采用ZigBee增强型XBee无线传感器应用网络即能满足现场监测需要。XBee-PRO OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4兼容的解决方案，可以满足低成本低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，功耗极低，能提供设备间关键数据的可靠传输。由于设计上的创新，工作在ISM 2.4 GHz频率波段的XBee-PRO在范围上可以超越标准ZigBee模块2～3倍，可组成对等网络结构,有点到点协议，点对多点和Mesh网；室外RF明视距离高达1.6 km，由于距离满足面上墒情点的监测范围，因此可采用点对多点的无线网络监测方案。
    XBee-PRO OEM RF 模块主要技术指标为：
    接口数据传输率: 115.2 kbps以内；
    RF数据传输率: 250 kbps(128位AES立即加密)；
    芯片天线或伸缩天线可选；
    工业级温度范围 (-40 ～ 85?C)；
    关断休眠模式电流: < 10 μA。
    XBee-PRO ZigBee OEM 模块外形图见图2。

             
                     图2  XBee-PRO ZigBee OEM 模块

3    XBee模块与MP-406土壤水分传感器的整合
    XBee-PRO OEM RF 模块不能直接同MP-406土壤水分传感器连接，需利用PIC微处理器桥接才能获得预期效果。
    无线网络化设计按照图3所示的设计框图进行。

图3  传感器无线网络化设计框图

   PIC微处理器选择PIC18F2220，这是28脚高性能表面贴装RISC精简指令集CPU，自带WATCHDOG和上电自动复位电路，运行电压范围宽，2～5 V均正常工作，其独特微芯公司纳瓦低功耗技术特别适用构建无线网络传感器，在满负荷运行时功耗150μA，休眠时功耗小于1μA [3]。考虑到传感器和XBee模块是采用受控电工作的，设计6Ah/12V供电的一台无线网络传感器连续工作时间可大于1a。
   PIC18F2220传感器采集到MP406土壤水分传感器的电压量，经AD变换存入到微处理器内存中，数据占2个字节，然后加上2个字节的ID识别号，经字头和1个字节的尾校验码的数据包封装，以9600bps的传输速率传送给XBee模块加载到RF高频完成数据发送动作。
    整合后的MP406土壤水分传感器具备了短距离无线传输的特性，使监测点与RTU之间能够自动进行无线连接，极大方便了墒情采集系统设计和系统现场施工。经测试和批量生产后，可以广泛应用于干旱区土壤墒情自动监测系统的构建和试验站土壤水分自动采集与分析，减轻工作人员的劳动量。

    4    结语
以上技术设计实现了多个土壤水分传感器到监测终端RTU的无线快速连接，不需进行布线埋设，组网简单灵活。
针对当前国家防汛抗旱指挥系统旱情分中心等有关旱情监测系统建设的需要，利用墒情传感器无线网络化技术能组成实用的自动监测系统，当监测范围继续扩大时，可以将RTU进行组网，形成分层次的土壤墒情在线监测系统。

    参考文献
    [1] SL364-2006，土壤墒情监测规范[S].
   [2] 李文仲，段朝玉.Zigbee无线网络技术入门和实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007，4