农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

Fig.1
图 1 监测系统网络结构图 Network topology of the system
1.1
传感器节点 其中， 传感器节点与 SWC 测量传感器相连并布置在 田间各监测点上，负责以特定的时间间隔（系统目前设 定为 1h） 采集 SWC 传感器的测量信息并将此信息存储在 本地 Flash 上。为降低传感器节点的能耗，在各次测量完 成后并不是马上向上级节点（簇首）发送测量信息，而 是在完成 24 次测量后将存储在本地 Flash 上的当天测量 数据打包发往簇首。当需要及时了解监测情况时，传感 器节点也具备以独立数据包的形式向接收设备传送已存 储测量结果的能力。 1.2 簇首 簇首布置在测量区域的边缘，负责接收和存储由各 个传感器节点发送的 SWC 测量结果。 当簇首接收到数据 传送的命令后，向其上级节点（基站节点）发送 Flash 中 保存的各传感器节点一段时期内的测量值。 1.3 基站节点 基站节点与笔记本计算机相连，作为计算机和田间 网络进行通信的桥梁。本系统自定义了一套命令集和节 点编号方法，用户的控制信息通过基站节点解析和打包 为田间网络节点可以处理的数据实现对网络中各节点的 控制， 而网络节点中存储的 SWC 测量结果也可以通过基
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引
言
精细灌溉是解决由水资源日益紧缺而导致的各类供 求矛盾的有效方案之一，它可以在不影响作物产量的前 提下根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而达 到大幅度减少农业用水的目的[1]。在精细灌溉作业中，土 壤含水率（soil water content，SWC）是计算需水信息的 一个重要指标。同时，土壤含水率也是地表和大气之间 通过蒸发的方式进行能量和水分交换的主要控制因子， 很大程度上影响植物的健康状况[2]。因此，对土壤含水率 进行连续、实时、准确地监测在精细灌溉及水资源合理 利用研究中具有重要的意义。 对单点或小范围土壤含水率进行测量可以采用时域 反射计（time-domain reflectomerty，TDR）法[34]、土壤穿 透雷达（ground penetration radar）法[5]、张力计法、中子 仪法、 取土烘干法、 热脉冲法、 土壤电阻法、 电容法等[6-8]。 对大片区域土壤含水率分布状况的测量可以采用遥感技 术，主要的测量手段包括辐射通量法、微波法、雷达成 像以及红外测温法等[9]。
以上方法虽然均能够比较准确地测量土壤含水率， 但在实际应用中需要工作人员携带仪器设备进行人工测 量或者将设备安装在农业机械上，伴随农机作业进行测 量，且测量范围限于地表及地表以下有限的深度，无法 对植物根部的土壤含水率进行立体检测。依赖于人力或 机械的方法受到使用强度的限制，无法对土壤含水率进 行实地、大范围和实时监测，导致无法对监测区域进行 有效覆盖，测量结果无法反映土壤含水率的动态变化情 况。因此，需要一种能够密集部署、避免作业区内部线 缆纵横交错、实时并且短时间间隔地采集、存储和传输 土壤含水率信息的数据获取载体。 无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是 一种新兴的重要技术，通常由大量具有特定功能的传感 器节点组成全分布系统。因其部署简单、布置密集、低 成本和无需现场维护等优点为环境科学研究的数据获取 提供了方便，被广泛应用于气象、地理、自然和人为灾 害监测以及大面积的地表监测中[10-14]。但是，农业作为 无线传感器网络应用的潜在重要领域，目前尚未得到足 够的重视。精细灌溉作业应用中，大量的传感器节点可 构成监控网络，通过土壤含水率传感器采集信息，配合 网络多跳路由、自组网、信息互递等特点，连续、实时 地向实验室及灌溉作业机具发布土壤含水率信息，实现 精细灌溉的自动化、智能化及远程控制。 本研究探讨将无线传感器网络技术作为土壤含水率 监测中数据采集和传输载体的可行性并设计和搭建基于 无线传感器网络的土壤含水率监测系统，主要包括以下 内容： 1）基于无线传感器网络的地表以下多层次土壤含水
土壤含水率测量传感器的选型及标定 本研究综合考虑传感器的单价、能耗及是否易于使 用等指标， 选用了美国 Decagon 公司的 ECH2O 系列电容 型土壤含水率传感器 EC-5（Decagon Devices，Pullman， MA，USA） 。EC-5 的量程为 0 ～100%土壤体积含水率 （volumetric water content，VWC） ，测量准确度为±2%， 3 3 [16] 分辨率达到 0.001 m /m VWC 。EC-5 在休眠状态不消 耗任何能量， 要完成 1 次测量， 只需向其提供幅值为 2.5 V， 电流为 10 mA， 持续时间大于 10 ms 的脉冲。 完成测量后 EC-5 会将结果以电压的形式在输出接口上保持 2～3 mS， 此输出电压的范围为供电电压的 10%～40%， 当供电电压 为 2.5 V 时，输出电压的范围为 250～1 000 mV，具体输 出值随土壤 VWC 变化。 本研究利用拟布置传感器区域的土壤样本对 EC-5 进 行了离线标定试验。选取 4 个 EC-5 传感器，用 2.5V 稳 压电源提供 EC-5 工作所需电能，以消除电池供电时电压 波动对传感器输出的影响； 由示波器 （DSO6102A， Agilent Technology，USA）观察 EC-5 在各土壤含水率影响下的 输出电压；以 4 个 EC-5 在某一土壤含水率影响下的输出 电压均值作为 EC-5 在该含水率水平下的测量值，应用线 性回归法确定传感器输出与土壤含水率之间的关系。具 体步骤包括： 1）在拟布置传感器的试验田中设定 3 个采样区域挖 取土壤样本，如图 2，采集区尽量靠近 SWC 传感器的真 实填埋点； 2 ）将采回的土壤样本放入烤箱（ Fisher Scientific, Waltham, MA, USA） 内烘烤 48 h， 烤箱温度设定为 105℃， 保证土壤内原有的水分完全蒸发；
第2期
李
震等：农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计
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率监测系统硬件选型及设计开发； 2）网络通信协议和应用程序的设计与开发； 3）解决测量系统田间部分的供电问题； 4）通过系统试运行发现并解决前期设计中存在的问 题，完善监测系统设计。
站节点传送至计算机。在传感器节点和簇首中，测量的 原始数据以日志的形式进行存储，受节点存储能力的限 制，已上传的数据会定期删除，而计算机则可提供一个 比较完善的数据库服务。
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农业工程学报
2010 年
VWC
Vw Vw 100% 100% Vt Vs Vw Va
（1 ）
式中：VWC ——以体积为计量的土壤含水率，%；Vw —— 土壤中水的体积，mL；Vt ——土壤样本总体积，包括土 壤体积 Vs，水体积 Vw 以及空气体积 Va 等，mL。 4 ）分别记录各个传感器在不同土壤样本下的输出 值，将某一含水率水平下 4 个 EC-5 传感器放入来自 3 个 采样区域土壤的输出均值作为该含水率水平下的标定 值，利用 Excel（Version 2003, Microsoft, USA）绘图并进 行回归分析，得到的标定方程如式（2） VWC 0.125Vout 33.71 （2 ） 式中 Vout ——传感器输出，mV；式（2）的决定因子 R2 为 0.9768。 2.2 系统中各类节点的硬件构成 本系统包括 3 类节点，其中，传感器节点包括传感 器、信号调理模块、WSN 应用主电路板（包括 CPU，存 储器，无线通信模块，USB 接口，嵌入式操作系统等） 以及太阳能供电部分，其结构如图 3 所示。每个传感器 节点上安装了 4 个 EC-5 传感器，分别被埋入地下距地表 5.00、15.24、30.48 和 60.96cm 处，对地表下 4 个不同土 层的土壤含水率进行测量（如图 4） 。
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第 26 卷 第 2 期 2010 年 2月
农 业 工 程 学 报 Transactions of the CSAE
Vol.26 No.2 Feb.,2，Wang Ning 2，洪添胜 1※，文 韬 1，刘志壮 1
（1．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州 510642； 2．Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University, 111 Ag Hall, Stillwater, 74078, USA） 摘 要：为解决传统土壤含水率监测中所存在的监测区域面积小、采样率低等问题，设计和开发了基于无线传感器网络 技术的土壤含水率监测系统，包括 10 个传感器节点， 1 个簇首和 1 个基站节点，可按任意时间间隔全自动地采集、处理、 传输和存储地表以下 4 个不同土层土壤含水率变化状况； 各类节点采用 TinyOS 操作系统， 节点间通信遵循 ZigBee 协议； 含水率测量采用 EC-5 传感器；太阳能供电模块的供电能力满足传感器节点及簇首的能耗需求；进行了数据包传输率试 验，10 个传感器节点中有 7 个的数据包正确传输率高于 90%，1 个节点的数据包正确传输率为 89.2%，2 个节点的传输 率低于 70%。造成 2 个节点数据包传输率较低的主要原因是太阳能供电电路制作，通过更换电路板解决了该问题。试验 结果表明，系统能够实现稳定的数据传输，适合农田土壤含水率的实时监测。 关键词：精细农业，无线传感器网络，土壤含水率，TinyOS doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.02.037 中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-02-0212-06 李 震，Wang Ning，洪添胜，等. 农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计[J]. 农业工程学报，2010，26(2)： 212－217. Li Zhen, Ning Wang, Hong Tiansheng, et al. Design of wireless sensor network system based on in-field soil water content monitoring[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(2): 212－217. (in Chinese with English abstract)