基于無線傳感器網絡的土壤水分監測系統設計

摘要：鑒于農田土壤含水率以及水分信息獲取的重要性，基于無線傳感器網絡技術（ＷＳＮ）設計一個農田土壤水分自動監測系統。通過在監測區域部署傳感器網絡，將監測數據匯集到嵌入式測控系統，實現統一的數據管理和網絡路由監測功能。該系統實現了信息采集節點的自動部署、數據自組織傳輸，可以使人們隨時隨地精確獲取作物需水信息。遵循模塊化設計思想，傳感器和功能模塊可組合配置，通用性強，使用靈活。給出了系統硬件和軟件實現方法，包括無線節點設計、數據傳輸及通信等模塊的實現原理。對于土壤水分的監測試驗結果表明，該系統性能穩定，工作可靠，可廣泛應用于其他農業環境監測領域。

關鍵詞：土壤含水率；無線傳感器網絡；監測；設計

中圖分類號：ＴＰ２０２ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：0439－８114（２０11）20－4285-05

Design of Water Content Monitoring System Based on Wireless Sensor Network

ＣＨＡＮＧ Ｂｏ１，ＮＩ Ｓａｎｇ－ｃｈｅｎ２

（１． Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｏｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉａｎ ２２３００３，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１１１８９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｃｒｏｐｌａｎｄ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ． Ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗａｓ ｐｌａｃｅｄ ｉｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｒｅａ； ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｗａｓ ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｉｎ ｔｏ ｔｈｅ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｍｅａｓｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｕｎｉｆｉｅｄ ｄａｔａ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｒｏｕｔｉｎｇ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ＷＳＮ ｓｙｓｔｅｍ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ ｏｆ ｄａｔａ ｇａｔｈｅｒｉｎｇ ｎｏｄｅｓ ａｎｄ ｓｅｌｆ－ｏｒｇａｎｉｚｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， ｗｈｉｃｈ ｅｎａｂｌｅｄ ｔｈｅ ｃｒｏｐ ｇｒｏｗｅｒｓ ｔｏ ａｃｑｕｉｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｃｒｏｐ ｗａｔｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ ａｎｙ ｔｉｍｅ ａｎｄ ａｎｙ ｐｌａｃｅ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｏｆ ｍｏｄｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ； ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｍｏｄｕｌｅｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ， ｔｈｕｓ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｖｅｒｓａｔｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ． Ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｄｅｓ ｄｅｓｉｇｎ， ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｗａｓ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｆｏｒ ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｍｐｌｉｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｌｅ， ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｓｏｉｌ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｔｅｎｔ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＷＳＮ）； ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ； ｄｅｓｉｇｎ

隨著精準農業的發展和人們對農產品安全的重視，農田土壤信息（如含水率）的實時獲取變得越來越重要。土壤含水率是地表和大氣之間通過蒸發的方式進行能量和水分交換的主要控制因子，很大程度上影響農作物的健康狀況［１］。人工測量農田墑情，既耗費人力，又不能實時監控；采用有線監控的布線及擴展成本較高，且不便于農耕。無線傳感網絡是一種集信息采集、處理和無線傳輸于一體的先進監測技術，在諸多領域，如國防軍事、環境監測［２］、工程安全［３］以及農業溫室［４］、畜禽養殖場和食品加工等［５］方面，已經得到了一定的應用。已經有國內外科研人員將其應用于不同農業環境監測領域［６，７］。……