基于电流-电压四端法的无线土壤电导率传感器研究

土壤电导率高低包含土壤物理化学性质的丰富信息.为实现土壤电导率的实时自动检测与无线传输,设计利用电流-电压四端法对土壤电导率实时监测,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据实时传输,利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电.实验结果表明,当土壤含水率大于15%时,土壤电导率与传感器输出电压呈良好的指数函数关系,系统测量误差小,性能稳定.利用Zigbee模块及MiWi（TM）协议栈构建的星形网络实现数据无线传输,在无阻挡条件下数据可靠传输距离为90m,有阻挡条件下可靠传输距离为50m.在正常天气条件下,系统能自动持续工作,在连续阴雨天气条件下,系统能正常工作10~15d.

基于电导率对相对介电常数补偿的土壤含水率电容传感器标定方法

针对土壤含水率电容传感器检测精度低,标定模型对盐渍土壤的适用性不高等问题,提出基于电导率对相对介电常数补偿的含水率电容传感器标定法。在标准溶液中建立相对介电常数与传感器输出电压关系对数模型(R^(2)=0.983),进一步基于二元二次回归分析法,建立标准溶液电导率对相对介电常数补偿的相对介电常数与传感器输出电压及电导率的回归标定模型(R^(2)=0.979)。对传感器进行土壤含水率标定,建立土壤体积含水率与相对介电常数关系的三阶多项式标定模型(R^(2)=0.996)。对两步标定模型进行实测,结果表明:土壤电导率为0~2 dS/m时,体积含水率检测最大误差从未电导率补偿时0.0383 m^(3)/m^(3)降至电导率补偿后0.0127m^(3)/m^(3),最大相对误差从12.0200%降至6.2241%。结果表明,在不同电导率的同类土壤中,使用基于电导率对相对介电常数补偿的含水率传感器标定法能明显提高土壤含水率检测精度和对不同电导率土壤(黄土)的适用性。

测量土壤电导率的无线传感器节点设计

采用基于电磁感应原理测量土壤的电导率,与传统的测量方法相比,该方法具有非接触、易操作等特点,并将传感器与MCU、无线收发模块相结合,用无线方式传输数据,解决传统方法劳动强度与实时处理等矛盾。

基于无线传感器网络的温室栽培营养液电导率监测系统

温室营养液无土栽培,具有节约种植成本、生产效率高等优点。监测营养液的电导率、pH值等特性参数,是实现营养液无土栽培信息化与自动化的基础。为了实现温室无土栽培营养液的实时监测,开发了基于无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的营养液电导率实时监测系统。系统以JN5139为中央控制器同时控制营养液电导率信息采集单元和无线通讯单元,实现了营养液电导率信息的实时采集与处理、LCD显示和键盘输入等人机交互操作以及基于WSN的营养液电导率实时测量自组织网络,同时系统集成了GPRS模块,实现了营养液电导率与温度信息的远程传输与监控等功能。系统采用星型网络拓扑结构,并进行定时休眠、传感器掉电控制来节省能源消耗。针对系统的实用性和可靠性进行了系统标定、温度补偿以及温室试验,分析比较了电导率测量线性与非线性模型。试验结果表明分段线性模型建模效果较好,分段拟合R2均在0.97以上。系统的测量范围为0.5～2.9mS/cm,测量结果能够精确到0.01mS/cm,总体测量相对误差为2.10%,较好地满足了温室营养液电导率实时监测的要求,为无土栽培的科学管理提供技术手段。

面向车载式测量的土壤含水量与电导率复合传感器设计

基于介电方法设计了符合车载测量要求的四环电极结构土壤含水量与电导率复合传感器。分别在NaCl电导率溶液、含水土样和混合土样中进行标定试验分析,结果证实了复合传感器的可行性。通过分析混合土样中含水量和电导率与传感器输出信号之间的相关性,分别建立土壤含水量与电导率的统计预测模型。

四端法土壤电导率原位快速检测传感器设计与试验

实现土壤电导率的快速获取可为农业生产精准管理提供有效的数据支撑。目前,田间电导率采集在农业生产前进行,需要专门的电导率检测设备对种植田块开展大范围数据采集并生成电导率空间分布图,该方式操作繁琐、费时费力,同时检测的电导率值由于时间滞后原因,难以准确反映农业生产各环节(如播种)实施过程中的真实电导率情况。针对上述问题,基于交流“电流-电压”四端法原理,该研究设计了一种土壤电导率原位快速检测传感器,用于搭载在不同的农业生产机具上,实现土壤电导率的实时检测与作业参数的在线调整。该传感器以STM32处理器为核心,配合电源电路、交流信号源电路、有效值检测电路及其他外围电路搭建了硬件及软件架构,同时集成了信息的实时检测与显示、定时存储与无线传输等功能,实现了土壤电导率的原位高精度获取。传感器标定试验及工作稳定性试验结果表明,传感器输出值与DDB-303A电导率仪测得的电导率值呈明显线性关系,线性拟合R^(2)为0.995,且在不同电导率水平下,连续测量的标准偏差均小于0.76μS/cm,具有较高的准确性及工作稳定性。与JXBS-3001传感器在实验室条件下(温度25℃),对配置的不同电导率浓度土样(含水率<15%)检测的对比试验结果表明,所设计的电导率传感器的测量误差及响应时间更低,绝对误差为-5.9~19.4μS/cm,相对误差为-1.05%~2.39%,响应时间小于2.01 s。利用电导率传感器在现场(温度20.6℃)对地块不同位置测量的绝对误差为-11.36~25.30μS/cm,相对误差为-7.91%~7.88%。综合而言,该研究所设计的土壤电导率传感器能快速准确的检测土壤电导率信息,可为无人农场的土壤信息采集提供一种高精度的检测工具。

四端法土壤电导率传感器恒流源设计与试验

土壤信息对于指导农业生产有着极为重要的作用,土壤电导率反映了土壤含水量、盐分、粘粒含量和类型等土壤信息,准确获取土壤电导率对于实现农业精细化生产意义重大。在各种土壤电导率测量方法中,四端法因其成本低、精度高、测量快速和操作简便而大量应用于实际测量;恒流源是四端法测量仪器的重要组成部分,其性能直接决定着测量仪器的精度以及测量范围。本文对比了3种恒流源对测量仪器测量性能的影响,发现采用Howland恒流源的四端法测量仪器高电导率测量能力强而低电导率测量范围较小,测量精度最高;采用改进型Howland恒流源的四端法测量仪器低电导率测量范围有所扩大,测量精度良好;采用基于差动放大器的恒流源的电导率仪低电导率测量范围最大,高电导率测量范围较优,测量精度良好。

基于非线性耦合的土壤电导率传感器标定方法

针对土壤电导率传感器测量不准确的问题,提出了不考虑含水率θ与考虑θ的非线性耦合标定模型,并开展了土壤电导率传感器的标定与验证试验。标定试验采用新疆维吾尔自治区阿拉尔市十团苹果园沙土,使用去离子水与NaCl设计了9组含水率梯度与6组含盐量梯度共54组土样,分别使用土壤电导率传感器与高精度电导率仪对土样的电导率进行测量;根据耦合模型分别对不考虑θ、考虑θ以及考虑θ细分的3种处理进行拟合分析;最后对同一苹果园设计了大田验证试验。结果表明,土壤电导率传感器测量的电导率EC_(0)以及电导率仪测量的电导率EC_(1)与土壤含盐量均呈正相关,EC_(0)随θ的增加而增加,EC_(1)随θ的增加而减少;3次拟合结果表明,θ对电导率测量有显著影响,随θ细分,3个处理的残差逐渐减小,拟合决定系数R2均不小于0.839且逐渐增大;验证试验结果表明所提出耦合模型可以有效提高电导率测量精度,该标定方法可为土壤电导率准确测量以及土壤电导率传感器标定校准等相关研究提供依据。

基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发

根据农田环境的应用需求,设计了农田土壤温湿度监测系统,该系统由农田无线监测网络和远程数据中心两部分组成。采用以JN5121无线微处理器为核心的传感器节点开发策略,构建基于ZigBee协议的无线监测网络;采用ARM9微处理器S3C2410,基于嵌入式Linux开发的网关节点实现数据汇聚和GPRS通信方式的远程数据转发。远程数据中心的管理软件FieldNet采用了数据库管理模式,并通过应用ESRI嵌入式GIS组件库ArcEngine进行监测数据的实时变化和空间变异分析。系统的设计开发为精细农业时空差异性与决策灌溉研究提供了有效工具。

基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制

为实现土壤水分的自动检测与无线传输,采用电场法检测土壤质量含水率,利用Zigbee技术构建无线传感网络实现数据传送。利用太阳能电池收集太阳能并存储于锂电池中,实现对系统供电。通过合理的充放电管理,能有效地延长锂电池寿命。试验结果表明,该传感器能够实现0～30%间的土壤质量含水率的测量,相对误差小于10%。利用Zigbee模块及MiWi(TM)协议栈构建星形网络能实现数据无线传输。当节点发射功率为1mW时,在无阻挡条件下可靠传输距离为30m,在有农作物遮挡时,可靠传输距离为10m左右。在1h采集发送1次数据及正常天气条件下,系统能自动持续工作。在连续阴雨天气条件下,系统能正常工作7～20d。

农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

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。

农田土壤监测无线传感器网络通信平台

为实现田间土壤信息的持续获取,延长田间无线传感器网络的生存时间,对农田土壤监测无线传感器网络通信平台做了研究。重点研究了无线传感器网络节点的软硬件结构和低功耗实现方式。节点硬件系统采用支持低功耗睡眠模式的高性能单片机ATmega128L和低功耗射频芯片CC1000设计完成;通信协议在洪泛通信算法的基础上,加入了数据包登记机制和网络梯度控制,并且支持全网同步的周期性睡眠。结果表明:传感器网络节点软硬件结构简单、实用;经过通信协议改进和加入新休眠机制后,在网络层上实现了传感器网络节点的同步,功耗降低最大达80%,满足了农田土壤监测的需求。

基于ZigBee无线传感器网络的土壤墒情监测系统

针对当前对智能节水灌溉的需求,为精准农业提供科学依据,设计了基于ZigBee无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的土壤墒情监测系统。本设计研发了集环境自动监测传感器、无线智能控制终端和数据采集传输终端于一体的低功耗智能传感器节点,重点阐述了其软硬件设计,控制器采用低功耗单片机Msp430F149。本设计采用ZigBee无线传感器网络,能实现信息采集节点的自动部署,数据自组织传输,可应用于温室、农田等区域,有助于更好的节能节水,有效地提高农作物单位面积产量。初步测试结果验证了该系统的合理性与实用性。

土壤不同频率无线地下传感器网络信号传播特性试验

为探究土壤环境中无线地下传感器网络节点部署要求、信号传输及其应用环境的特性,分别以240、433和868 MHz为载波频率,研究了无线信道下地上至地下、地下至地上和地下至地下3种通信方式中无线射频信号的传播特性和节点埋藏深度、水平节点间距离以及土壤含水率等影响因素之间的关系,获得了接收信号强度、误码率等数据,并进行了统计分析。试验结果表明,节点埋藏深度和土壤含水率对AG-UG和UG-AG通信中RSSI和BER影响的24种模型拟合优度,R2最大为0.997,最小为0.910。水平节点间距离和土壤含水率对UG-UG通信中RSSI和BER影响的12种模型拟合优度,R2最大为0.971,最小为0.866。此外,建立了433 MHz频率下RSSI变化的三维曲面,可直观反映土壤环境下无线信号的传播特性,并采用SPSS软件对模型进行了验证。AG-UG和UG-AG通信中,拟合优度R2最小为0.954,最大为0.998,均方根误差RMSE在0.729～3.198 d Bm之间。UG-UG通信中,拟合优度R2最小为0.854,最大为0.960。均方根误差RMSE在3.238～6.553 d Bm之间。验证试验结果表明,该模型可以较好地预测不同条件通信中的接收信号强度,为土壤环境中无线地下传感器网络的部署和系统的建立提供了技术支持。

基于无线传感器网络的土壤水分监测基站系统设计

根据土壤水分监测传感器网络应用的需求,提出一种基于无线传感器网络的土壤水分监测基站系统的设计方案,包括监测网络体系结构、硬件结构及软件功能模块分割的总体方案设计。此外,还对基站无线通信模块、数据转换模块、存储模块、人机界面和数据上传模块进行详细设计。在实验测试中,本系统运行状况良好、工作稳定,基本能满足实际应用的需要。

基于无线传感器网络的土壤湿度监控系统

为提高水资源的利用效率,且针对传统土壤湿度监控系统难以布线、抗干扰性能差等缺点,设计了一种无线土壤湿度监控系统。传感器节点以CC430单片机为节点核心并辅有土壤湿度传感器等一些外部元件,多节点间应用SimpliciTI无线通信协议组成一个小型的射频网络。主控节点通过GPRS模块向数据监控中心上传传感器节点采集的湿度数据并管理灌溉控制模块,数据监控中心可向无线网络发送控制命令。实验结果显示,基于协议的该系统稳定性高、移植性强、易于扩充,本设计将无线传感器网络技术应用到农业生产中,提出了一种新型实用的方案。

基于无线传感器网络的土壤信息采集系统

针对土壤信息采集的需要,提出了把无线传感器应用于土壤信息采集的思路,研究设计了一套基于无线传感器网络的土壤信息采集系统。节点设计采用低功耗MSP430单片机和CC2430ZigBee无线射频芯片完成,可采集土壤温度、湿度和土壤含水率。系统网关设计基于ARM7系列S3C44B0X、GPRS模块SIM100,搭建了农田中的平面型无线信息传输网络拓扑结构。实验仿真结果表明,整个系统的伸缩性较好,当土壤含水率太大或某种因素导致某些传感器节点损坏,系统中的其他部分仍能持续正常工作,具有自组织重新恢复的功能。该系统能够实时地显示出各节点的土壤温度、湿度和含水率参数,实现土壤信息的实时采集,为农田灌溉的实施提供了有力依据。

一种土壤湿度测定方法在Zig Bee无线传感器网络中的应用

农业无线传感器网络(WSNs)的终端节点存在着低功耗和低成本的要求,而现有的土壤湿度传感器难以满足这种要求。提出一种将土壤电阻传感器和土壤温度传感器的数据进行融合的方法,并利用多元线性回归和BP神经网络建立了土壤湿度的测定模型。该方法在实际的Zig Bee农业无线传感器网络中得到应用。实验结果表明:在同一种类型的土壤中,该方法测定土壤湿度的精度可达±2.5%RH,可用于实际农业大田的土壤湿度测定。

农田土壤无线地下传感器网络节点设计与通信试验

为了揭示电磁波信号在农田土壤中的传输特性、科学部署传感器节点,以关中地区农田土壤为研究对象,采用模块化设计思想,将传感器、无线数传、处理器和能量供应等模块集于一体,设计了无线地下传感器网络(Wireless underground sensor networks,WUSN)节点和汇聚节点。采用单因素试验方法,分析了土壤含水率、WUSN节点埋深、节点间水平距离对WUSN节点信号传输的影响,建立了接收信号强度和误码率预测模型。结果表明,当WUSN节点信号在地下垂直方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低4~6 dBm,通信误码率增加3~5个百分点;WUSN节点埋深增加5 cm,接收信号强度降低3~5 dBm,通信误码率增加3~4.5个百分点。当WUSN节点信号在地下水平方向上传输时,土壤含水率增加2.5个百分点,接收信号强度降低5~7 dBm,通信误码率增加4~5个百分点;节点间水平距离在10~90 cm范围内,节点间水平距离增加10 cm,接收信号强度降低6~8 dBm,通信误码率增加6.5~8个百分点;节点间水平距离在90~190 cm范围内,节点间水平距离增加10 cm,接收信号强度降低约1 dBm,通信误码率增加1~1.5个百分点。WUSN节点信号在垂直、水平两种传输方向上误码率和接收信号强度预测模型拟合优度R^(2)最高为0.982,均方根误差RMSE为1.7%,拟合优度R^(2)最低为0.942,均方根误差RMSE为5.136 dBm。WUSN节点信号在土壤中传输受到土壤含水率、WUSN节点埋深和节点间水平距离的严重影响。

电容式土壤水分传感器的电导变异性试验研究

为评估电容式土壤水分传感器受土壤电导率的影响及其对农田土壤电导率变化范围的适用性,配制了一系列土壤等效含水率为40.6%、电导率为0~1.91dS/m的土壤等效介电溶液,分别对激励信号频率为40,50,60,70,80,90,100MHz的7种传感器进行了电导变异性试验,并且配制了相同含水率但电导率分别为0,0.31,0.46和0.61dS/m的4种土样进行了验证试验。试验结果表明：1）土样中的测试结果基本上与介电溶液吻合,可采用等效介电溶液评估传感器的电导变异性;2）传感器的电导变异率随待测介质电导率的升高而近似线性增大,相同电导率下,传感器激励信号频率越高其电导变异率越小;3）在农田土壤电导率基本变化区域0.239~0.650 dS/m内,当传感器激励信号频率从不低于80MHz时,其最大电导变异率为9.2%,能满足工程上的实际应用要求。