（检测技术与自动化装置专业论文）基于wsn和gprs的农田土壤水分检测补偿方法研究.pdf

江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科 学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会 提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本论文编入中 国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布( 包 括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密囝。 学位论文作者签名：裔，貉品 工pj f 年6 月3 - 日 指导教师签名：侈铷 弘，厂年歹月? - 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：奔晶、褊 加，f 年6 月1 2 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 在大范围农田中，实时准确地采集土壤水分含量对节水灌溉、提高农作物产量有 重要作用。在精确农业中，土壤水分含量实时检测成本与精度之间的矛盾，是制约节 水灌溉自动化技术发展的关键因素之一。因此，寻找一种低成本、高精度的土壤水分 含量实时检测方法意义深远，而无线传感网络( w s n ) 和通用分组无线业务( g p r s ) 的出现使得这一目标成为现实。 近年来，根据电磁测量基本原理设计的电容式土壤水分传感器越来越受到人们关 注，它可在低成本、高精度条件下快速测量土壤水分含量，并且可在同一地点反复测 量而不破坏土壤结构，是一种适用于无线技术的新型传感器。然而研究表明，该类传 感器在测量过程中容易受到土壤温度和土壤盐分的影响，导致检测精度降低。因此， 本文以e c 5 为研究对象，突破单个土壤水分传感器在线检测精度问题的理论，利用 基于m a t l a b 的最小二乘支持向量机( l s s v m l a b ) 建立单个传感器影响因子( 温度 和盐分) 补偿模型，并在此基础上研究影响因子的空间变异规律，提出基于w s n 和 g p r s 网络信息( 土壤温度和盐分) 共享的土壤水分检测补偿方法，以便合理地利用 网络资源和在实现大范围农田中实现多点土壤水分传感器补偿，有效地提高补偿精 度、降低补偿成本，克服了现有传感器对土质的依赖性。 为了对该补偿方法进行验证，本文建立了土壤水分检测补偿实验平台，该平台将 w s n 技术和g p r s 技术相结合，在田间的采集节点、汇聚节点、中转节点之间利用 w s n 进行数据传输，而通过g p r s 模块将数据由中转节点传输到远程监控中心。实 验平台由硬件系统和软件系统两部分组成，其中硬件部分采用c c 2 4 3 0 芯片作为各节 点的控制芯片，该芯片支持i e e e 8 0 2 1 5 4 协议，而采用支持t c p i p 协议的m c 5 5 模 块作为g p r s 通信模块。通过软件设计和软件编程完成土壤水分检测相关数据的实 时、准确采集，解决了检测过程中出现的网络问题。 实验室和田间实验表明，本文在研究传感器影响因子空间变异规律的基础上，提 出的基于w s n 和g p r s 网络信息共享的土壤水分检测补偿方法，能够有效提高水分 在线检测精度、降低补偿成本，是确定补偿成本和补偿精度之间平衡点的有用途径。 例如，当采样间隔是1 0 m 、温度和盐分补偿精度分别为1 时，成本可降低3 2 3 5 。 关键字：w s n ，g p r s ，土壤水分传感器，补偿，e c 5 ，c c 2 4 3 0 ，m c 5 5 a b s t r a c t i nl a r g ea r e a so ff a r m l a n d ，c a p t u r i n gs o i lw a t e rc o n t e n ta c c u r a t e l ya n do n l i n ep l a y sa n i m p c r t a n tr o l ei nw a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o na n di n c r e a s i n gc r o py i e l d t h ec o n f l i c tb e t w e e n t h ec o s ta n da c c u r a c yo fd e t e c t i o nd u r i n gt h ec o u r s eo fa c q u i r i n g s o i lw a t e rc o n t e n t r e a l t i m ei so n eo ft h ec o r ei s s u e so fa u t o m a t i cw a t e r - s a v i n gi r r i g a t i o nt e c h n o l o g y i n a 2 r i c u l t u r e t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yt of i n dal o wc o s t ，h i g h p r e c i s i o nr e a l t i m ed e t e c t i o n m e t h o df o rs o i lw a t e rc o n t e n t ，a n dt h ee m e r g e n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a n d g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( g p r s ) a c c e l e r a t e st h er e a l i z a t i o no f t h i sg o a l i nr e c e n ty e a r s t h ec a p a c i t i v es o i lm o i s t u r es e n s o r ( c s m s ) m a d ea c c o r d i n g t o e l e c t r o m a g n e t i cp r i n c i p l eh a sr e c e i v e dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s ei tc a na c q m r ew a t e r c o n t e n t r a p i d l yw i t hl o wc o s t a n dh i g hp r e c i s i o n ，m e a s u r er e p e a t e d l yw i t h o u td e s t r o y i n gs o i i s t r u c t u r e i san e wt y p eo fs e n s o rf o rw i r e l e s st e c h n o l o g y b u t r e s e a r c hs h o wt h a tc s m si s v u h l e r a b l et ot h es o i lt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yi nt h em e a s u r e m e n tp r o c e s s ，w h i c hw i l ll e a d t ol o w e rd e t e c t i o na c c u r a c y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rt o o ke c 一5 s e n s o rf o re x a m p l et o e s t a b l i s hw a t e rd e t e c t i o nc a l i b r a t i o no fs o i lt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t yf o rs i n g l es e n s o r , u s i n g l e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rm a c h i n e so nm a t l a b ( l s s v m ) a s t h et 0 0 1 o nt h i sb a s i s ，w e e x p l o r e dt h es p a t i a lv a r i a b i l i t yo fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，a n dt h e nam e t h o d ，w h i c hc o u l db e u s e dt oc a l i b r a t et h eo u t p u ts i g n a l so fs e n s o r si nm u l t i - p o i n tn e t w o r k ，w a sp r o p o s e db a s e d o nt h ew s na n dg p r sn e t w o r ki n f o r m a t i o n ( s o i lt e m p e r a t u r ea n ds a l i n i t y ) s h a r i n g ，t h e n w ec a nu t i l i z et h en e t w o r kr e s o u r c e sm o s tr e a s o n a b l y , r e d u c et h ec o m p e n s a t i o nc o s t sf u l l y , i m p r o v et h ec a l i b r a t i o na c c u r a c ye f f e c t i v e l yt oo v e r c o m et h ed e p e n d e n c eo ns o i l o ft h e e x i s t i n gs e n s o r s i no r d e rt oc o m p l e t et h ev a l i d a t i o n f o rt h ec a l i b r a t i o nm e t h o d ，t h e s o i lm o i s t u r e d e t e c t i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mi se s t a b l i s h e d ，c o m b i n gt h ew s n a n dg p r st e c h n o l o g i e s t h e nt h ed a t at r 锄s f e ro fw s n c a nb er e a l i z e dd u r i n gt h eg e n e r a ln o d e s ，s i n kn o d e sa n d c o m m u n i c a t i o nn o d e s ，g p r sm o d u l ei su s e df o rc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es i n kn o d e s a n dr e m o t em o n i t o r i n gc e n t e r t h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m c o n s i s t so fh a r d w a r ea n d s o r w a r es y s t e m s ，d u r i n gw h i c h ，t h ec c 2 4 3 0c h i ps u p p o r t e dt h ei e e e 8 0 2 1 5 4p r o t o c o li s s e l e c t e da st h ec o n t r o l l i n gc h i p ，t h em c 5 5m o d u l es u p p o r t e dt c p i pp r o t o c o li su s e df o r g p r sc o n 】m u n i c a t i o n t h e nw ec o m p l e t es o i lw a t e rc o n t e n t d e t e c t i o nr e a l t i m ea n d a c c u r a t e l ya n d s o l v et h en e t w o r kp r o b l e m sd u r i n gt h et e s t i n gp r o c e s sa sw e l l t h er e s u l t so fl a b o r a t o r ya n df i e l de x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h em e t h o dw ep r o p o s e d l i 江苏大学硕士学位论文 b a s e do nt h ei n f o r m a t i o ns h a r i n gt e c h n o l o g yo fw s na n d 。g p r s ，a c c o r d i n gt os p a t i a l v a r i a b i l i t yo fi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，c o u l de f f e c t i v e l yi m p r o v et h eo n l i n et e s t i n ga c c u r a c yo f w a t e ra n ds u b s t a n t i a l l yr e d u c ec o m p e n s a t i o nc o s t si nl a r g ef i e l d t h ep r o p o s e dm e t h o di sa n e f f e c t i v e w a yt o d e t e r m i n et h eb a l a n c eb e t w e e nt h ec o m p e n s a t i o n a c c u r a c y a n d c o m p e n s a t i o nc o s t s f o re x a m p l e ，w i t ht h es a m p l i n g i n t e r v a li slo m ，t e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o na c c u r a c yi s1 a n ds a l i n i t yc o m p e n s a t i o na c c u r a c yi s1 ，t h ec o s t sc a n b e r e d u c e db y3 2 3 5 1 ( e yw o r d s ：w s n ，g p r s ，s o i lw a t e rs e n s o r , c a l i b r a t i o n ，e c 一5 ，c c 2 4 3 0 ，m c 5 5 i i i 基于w s n 和g p r s 的农田士壤水分检测补偿方法研究 目录 要i t r a c t i i 录；i v 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2土壤水分检测研究现状与发展趋势l 1 2 1 土壤水分检测方法研究现状l 1 2 2 土壤水分传感器补偿方法研究现状一2 1 2 3 土壤环境因子空间变异规律的研究现状一3 1 3w s n 技术的研究现状4 1 4 g p r s 技术的发展现状及应用前景5 1 5 土壤水分检测补偿实验平台组成6 1 6本文主要研究内容及章节安排7 1 6 1 本文主要研究内容7 1 6 2 本文的章节安排一8 第2 章土壤水分检测补偿原理和方法1 0 2 1 传感器工作原理及影响因素一1 0 2 1 1e c 5 工作原理1 0 2 1 2 影响传感器精度的因素1 2 2 2 基于影响因子空间变异规律的补偿方法1 3 2 2 1土壤水分传感器补偿实现过程l3 2 2 2 单个传感器温度和盐分补偿原理1 4 2 2 3基于影响因子空间变异规律的补偿原理1 8 2 3 基于影响因子空间变异规律补偿方法关键技术：2 0 2 3 1 影响因子变异函数参数的确定2 0 2 3 2 变异函数模型的确定2 l 2 3 3影响因子空间异质性处理方法2 3 2 4 土壤水分传感器补偿模型的建立2 4 2 4 1最小二乘支持向量机2 4 2 4 2 土壤水分传感器补偿模型的建立2 5 2 5本章小结2 6 第3 章土壤水分检测实验平台总体设计2 7 3 1 实验平台总体设计2 7 3 1 1系统结构2 7 3 1 2 系统各部分功能的实现2 8 3 2 w s n 技术在实验平台中的应用2 8 3 2 1 w s n 技术在短距离无线通信中的优势一2 8 3 2 2 z i g b e e 协议及其网络拓扑结构的选择3 0 3 3g p r s 技术在实验平台中的应用3 2 3 3 1 g p r s 在远程监控中的优势3 2 3 3 2 g p r s 传输协议选择3 2 3 3 3 g p r s 模块类型和连网方式的选择3 3 3 3 4监控计算机的随时移动3 4 3 3 5 g p r s 网络拥堵和掉线3 4 i v 江苏大学硕士学位论文 3 4本章小结- ：。3 5 第4 章实验平台硬件实现和软件设计3 6 4 1 关键器件选型3 6 4 1 1节点控制芯片3 6 4 1 2g p r s 模块。3 6 4 1 3 供电电源3 7 4 2 节点硬件电路设计3 8 4 2 1c c 2 4 3 0 外围控制电路3 9 4 2 2 数据采集模块4 1 4 2 3 g p r s 控制模块4 2 4 2 4 供电电源4 4 4 3 系统软件设计4 6 4 3 1数据采集部分软件设计4 6 4 3 2 w s n 通信软件设计一4 7 4 3 3 g p r s 通信软件设计4 7 4 3 4网络拥堵和掉线问题解决方案4 9 4 4 监控中心软件设计5 0 4 5 本章小结5l 第5 章 5 1 实验建模与结果分析5 2 远程控制系统稳定性测试5 2 5 1 - l 监控中心移动稳定性问题解决5 2 5 1 2 网络拥堵与掉线问题的测试结果5 2 5 2 单个传感器补偿模型的建立5 5 5 2 1 实验材料与装置5 5 5 2 2 温度补偿模型建立与结果分析5 6 5 - 2 3 盐分补偿模型建立与结果分析5 7 5 3 基于影响因子空间分布规律的补偿模型建立5 8 5 3 1研究区域概况5 8 5 3 2 实验材料和技术5 8 5 3 - 3 数据采集布局5 9 5 3 4 信息共享范围与补偿精度关系分析6 0 5 4 补偿成本的模型建立6 3 5 5 土壤水分传感器补偿实例6 4 5 6 本章小结6 6 第6 章总结与展望6 7 6 1 研究工作总结6 7 6 2 研究工作展望6 8 参考文献6 9 致谢。7 4 攻读硕士学位期间发表的论文7 5 v 江苏大学硕士学位论文 1 i 课题研究背景 第1 章绪论 近年来，水资源严重缺乏，逐渐成为制约我国经济可持续发展和人民生活水平提 高的重要因素。在我国，可利用的水资源量占水分总量的比例很小，同时由于水资源 管理和利用方法不够完善、地下水开采过量、水资源污染浪费普遍严重等问题，对淡 水资源有效利用的技术革新迫在眉睫。目前，我国耕地每公顷平均水资源占有量仅占 世界平均水平的二分之一，加之农业用水利用效率低，导致我国耕地缺水问题逐渐加 剧。因此，必须寻找新的途径来实现大范围内实时、准确地采集农田土壤水分信息， 这对节水灌溉、提高农作物产量起着举足轻重的作用。 长期以来，国内外致力于土壤水分检测的专家做出了不懈努力，取得很多显著成 果1 1 。3 1 ，而根据电磁测量基本原理设计的电容式土壤水分传感器逐渐受到关注【4 5 1 ，它 可在较高精度下快速测量土壤水分含量；能在同一地点反复测量而不破坏土壤结构； 价格便宜、能耗低、操作方便【6 ，7 】。但研究表明，电容式土壤水分传感器在测量过程 中会不同程度上受到环境因素的影响1 8 。1 1 1 ，因此本文在研究土壤环境因子空间变异规 律的基础上，创造性地提出了一种基于g p r s 和无线传感网络( w s n ) 的土壤水分 传感器补偿方法，实现了土壤水分的远程检测，缓解了补偿成本和精度之间的矛盾。 1 2 土壤水分检测研究现状与发展趋势 1 2 1 土壤水分检测方法研究现状 水分是所有农作物生长过程中不可或缺的条件之一，是衡量土壤肥力、土壤盐分 溶解程度、微生物活动等的重要指标。目前，国内外对土壤水分含量测量技术的研究 取得了许多成果，测量方法有几十种，根据其机理不同，有四类最具代表性1 2 。5 】： ( 1 )重量法( 质量法) ：在测量土壤质量差异的基础上确定土壤中含水比例。 其中，烘干法被公认为是最经典的土壤水分检测方法【1 3 】，因为它操作简单、成本低、 精度高，适用于各类土质。但烘干法需耗费大量人力物力，且容易干扰土壤中水分的 l 基于w s n 和g p r s 的农1 1 1 十壤水分检测补偿方法研究 连续性，在不均匀的土质中测量精度较低，不适合测量大范围农田内的土壤水分含量。 ( 2 ) 射线法：最具代表的是中子扩散法，它早在2 0 世纪中叶就被应用于土 壤水分含量的测量，它可在同一位置的不同深度进行周期性的测量而不破坏土壤结 构，且测量快速、准确，但是很难测量土壤表层水含量，且其辐射会危害到周围的环 境和人员。 ( 3 )遥感法：通过遥感技术测定发射或反射电磁波的能量变化来测量土壤水 分含量，适用于快速、大面积的农田土壤水分含量测量，具有操作简便、多点监测的 特点，其监测结果有时会受到下垫面条件的影响。 ( 4 )电测法：通过标定电阻、电容、微波等在土壤基体中的电学特性来标定 水分含量，其中根据电磁基本原理设计的电容式土壤水分传感器凭借其优点日益受到 研究者的关注【4 ，7 1 ，它价格低廉、能耗低，能够实现对土壤水分含量的非破坏性和实 时监测，有利于正确评价农作物生长环境和优化管理农田用水，非常适合在大范围农 田中对土壤水分含量进行检测。因此，本文选用d e c a g o n 公司【1 6 1 的e c 一5 为研究对象， 提出基于w s n 和g p r s 网络信息共享的土壤水分传感器补偿方法。 1 2 2 土壤水分传感器补偿方法研究现状 实际上，由于大田待测范围广、传感器节点多，检测成本过高依然是制约农田土 壤水分检测技术发展的瓶颈，其根本原因是单个传感器节点成本偏高，若简单降低节 点成本，其检测精度又难以得到保证，这是土壤水分在线检测成本与精度之间存在的 一个难以解决的矛盾。在国内外，虽然土壤湿度检测技术的研究逐渐朝多点在线检测 方向发展，但大多集中在对单个传感器的灵敏度进行提高，即影响因子的补偿方面 【7 - 1 l 】 o 因此，有必要提出新的方法对电容式土壤水分传感器进行补偿，并找出普遍适用 的补偿模型，从而有效地解决大范围内土壤水分检测过程中补偿精度和成本之间的矛 盾。b a u m h a r d t 【8 1 等认为相对于烘干法和中子核法，电容式传感器在检测土壤水分含 量时更有优势，此外，他们在研究中发现电容式土壤水分传感器会受到土壤温度和盐 分变化的影响，必须对其进行校正；t h o m p s o n 2 s j 等的实验数据显示土壤溶液的电导 率每增加ld s m 一，传感器的输出值增大4 到7 5 ；b o g e n a 1o 】等通过实验室和田间 实验证明了e c 一5 能够满足无线网络的应用要求，并且温度和电导率会影响e c 5 输 2 江苏大学硕士学位论文 出；。k i z i t o 。7 】等在特定功率( 7 0 m h z ) - f s 对e c h 2 0 系列传感器进行校正，得到适用于某 一范围的校正公式；f a r e s 等【l i 】在实验室条件下通过温度一电压比例技术完成了对水分 传感器的温度和盐分的校正。 纵观现存的土壤水分传感器补偿方法，它们大部分集中在对单个传感器检测精度 的提高上，如果在大范围的农田土壤水分检测过程中使用这种补偿方法，会大幅度增 加农业生产的投入成本，因此有必要针对大范围的农田土壤水分检测提出一种新的方 法对电容式土壤水分传感器进行土壤温度和盐分的补偿，并寻找普遍适用的补偿模 型，从而有效地解决大范围内土壤水分检测的补偿精度和补偿成本之间的矛盾。 1 2 3 土壤环境因子空间变异规律的研究现状 自2 0 世纪7 0 年代起地质统计学开始被应用于土壤学的研究，它的出现改变了以 经典统计学理论为指导研究土壤环境因子空间变异规律的传统【l 7 1 。国内外学者做了大 量的研究工作，其结果表明：地统计学既可以用来定量分析土壤因子的空间分布情况， 也可以用来确定它们的空间变异尺度范围，从而提高田间数据采样的有效率【1 啪o l 。其 中，文献【1 8 1 8 口 2 0 的实验数据表明，土壤温度、盐分和水分等环境因子都符合区域 化变量的特征，非常适合对它们的区域化空间变异情况进行预测和研究。 目前，许多学者开始致力于研究土壤盐分和温度的空间分布规律。姚荣江等f 2 1 】 的研究表明，土壤表观盐分的变异性在水平方向上表现为中等强度，其变异函数可以 用球状套模合型拟合，不同采样点的土壤盐分之间在空间上呈强相关性：而土壤温度 在空间上表现为弱变异性，且其空间相关性强于土壤盐分。李子忠【2 2 】研究了不同采样 尺度下土壤混合电导率的空间变化规律，说明在土壤因子的空间变异研究中采样密度 是关键因素之一。h e r g e r t l 2 3 】等认为对于较大的采样尺度，不同采样间隔下的数据无 统计上的差别。m a l l a r i o n o 【2 4 1 等的结论是采样密度会影响土壤因子半方差函数的周期 变化模式。a 1 k a y s s i 2 5 】在温室条件下研究了土壤温度的空间变异性，分析表明在5 c m 深处不同采样点的温度表现为很强的自相关性。张慧智【2 6 】建立了土壤温度的多元性经 验回归方程。 在使用传统的土壤水分传感器补偿方法时，需在每个水分传感器附近同时安装土 壤盐分和温度传感器，忽略了大规模应用中的补偿成本问题【2 1 1 。因此，本文致力于 在解决单个传感器检测精度前提下，以e c 5 为对象，研究土壤水分检测过程中影响 厶 口 是 自 早 耐 基 世 纪最具影响力的技术之一；2 0 0 3 年m i t 技术评论在预测未来技术发展的报告中，将 其列为改变世界的十大技术之一；之后，商业周刊在预测的未来四大新技术时， 也将无线传感器网络列入，其中i e e e 目前正在努力进一步推进w s n 技术的应用。 现阶段，随着计算机成本的降低和微处理器体积的减小，美国和欧洲的半导体公 司已经推出了传感器、m c u 和无线收发器的集成芯片，例如t i 、f r e e s c a l e 、j e n n i e 、 e m b e r 等，同时推出的还有温度、湿度、光照、红外等低功耗传感器芯片，使得无线 传感网络开始被应用到许多领域：英特尔研究人员曾将3 2 个小型传感器和互联网相 连，以便读出缅因州大鸭岛上的气候特征，为评估海燕巢穴的合适环境作出贡献；罗 彻斯特大学的科学家使用w s n 技术建立了智能医疗室，用来实时监测患者的血压、 脉搏、睡觉质量等每天的身体状况；美国国防部远景计划研究局投资几千万美元，帮 助大学进行“智能尘埃 传感器技术的研究。 在国内，信息技术标准化技术委员会已经成立了无线传感网络工作小组，他们正 在努力制定无线传感网络的标准并同时加快集成芯片的制作进度，推动了无线传感网 络的产业化进程；中国科学院于1 9 9 9 年确定了w s n 的发展规划，并在国家中长期 技术规划纲要中将w s n 技术作为优先发展的主题之一；2 0 0 7 年，国内第一个无线传 感网络产业发展联盟在杭州成立，其中杭州美人紫葡萄基地通过w s n 实时动态地监 控土壤水分、养分、温度、光照等信息，以实现对葡萄生长各环节环境因素的自动控 制和灌溉；上海新球通信有限公司和中科院微系统与信息技术研究所开始合作，正在 4 江苏大学硕士学位论文 进行基于无线传感网路的安全防范检测技术的研究和产品开发。 因此，无线传感网络已经显示出了非凡的应用价值，有着巨大的应用空间和广阔 的发展前景。 1 4g p r s 技术的发展现状及应用前景 表1 1g p r s 技术与g s m 技术的主要特征比较 特点 关键资源接入传输计费支持网在线 技术利用时间速率方式络协议时间 技术 电路独占无线9 6不支持网 不能永 g s m 8 1 s 按时间 交换信道 k b i t s 络协议 远在线 多个用户 分组1 7 1 2 支持i p 和永远 g p r s 共享同一 1 3 s按流量 交换 k b i t s x 2 5 协议在线 信道 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 是在现有的g s m 网络上 发展起来的一种分组交换数据业务，它在g s m 网络的基础上添加了g g s n 网关节点、 s g s n 服务支持节点和p c u 分组数据处理单元。表1 1 对g p r s 和g s m 的主要技术 特征进行比较，可以发现g p r s 技术在信息传输方面更有优势。此外，g p r s 用户可 以同时占用多个信道，同一信道又可被多个用户共享，交换容量和性能上都有一个质 的飞跃；数据分组发送和接收，降低了服务成本。 总之，g p r s 技术具有实时在线、登陆速度快、按流量计费、传输速率快等优点， 且支持i n t e m e t 上应用最广泛的t c p i p 协议，能够有效地保证采集终端与远程主机之 间信息传递的可靠性和实时性，既不需要开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新 领域。目前，全世界已经有上百个运营商开通了g p r s 商用系统、试商用系统或者研 究系统；2 0 0 1 年6 月，g s m 联合会宣布了一套有关g p r s 系统提供文字及其它多媒 体服务的标准；世界各地的移动网络业积极配合电信设备制造厂商提供大量的g p r s 基于w s n 和g p r s 的农f f l 土壤水分检测补偿方法研究 服务区，比如，目前中国移动的g p r s 网络在中心城市的覆盖范围几乎达到了1 0 0 ， 在边远地区的覆盖率也达到了8 0 以上。 1 5 土壤水分检测补偿实验平台组成 无线传感网络 卜采集节点 、 ， g g s n 网关 w e b 服务 远程监控终端 蠕露卜汇聚节点。一中转节点 叩 图1 1土壤水分检测远程监控实验平台示意图 f i g 1 1 r e m o t em o n i t o r i n ge x p e r i m e n t a lp l a t f o r ms c h e m a t i c f o rs o i lw a t e rc o n t e n td e t e c t i o n g p r s 技术最大的特点是没有距离的限制，网络覆盖范围可以扩展至全球；而 w s n 技术功耗低、可靠性强、可自组网，适于对实时性和可靠性要求较高的短距离 现场控制。但监控中心通常远离采集点，因此，本文结合w s n 和g p r s 技术建立土 壤水分检测远程监控实验平台，完成土壤水分补偿过程中数据的采集与处理，其设计 框架如图1 1 所示。 该实验平台主要由采集节点、汇聚节点、中转节点、g p r s 网络、i n t e r a c t 网络和 监控终端组成。其中，采集节点布置在田间各个角落，用于土壤盐分、温度、水分等 相关信息的采集，然后数据沿着其它节点逐级传输，通过自组网络传送到汇聚节点， 最后由汇聚节点将数据传输给中转节点，最后传送到g p r s 网络。 6 江苏大学硕士学位论文 由于采集节点之间、采集节点与汇聚节点之间的通信属于短距离通信，且需要大 量节点和提供可靠通信服务，因此采用w s n 技术进行数据传输；当监控中心远离农 田时，需要将数据传输到距离很远的监控终端，因此中转节点与监控中心的通讯媒介 选择移动公司的g p r s 网络，它可给数据网络和移动用户之间提供一种高速的无线i p 连接通信。其中中转节点主要由g p r s 模块、无线通信模块及处理器模块组成，它主 要负责与汇聚节点之间的数据传输，并将整理完善的数据传到g p r s 网络。汇聚节点 与中转节点通过w s n 技术进行数据通信，中转节点与g p r s 网络之间的通信由g p r s 模块负责，使用的协议为t c p i p 协议，最终达到与i n t e m e t 网络通信的目的。 1 6 本文主要研究内容及章节安排 1 6 1 本文主要研究内容 本文在研究大量土壤水分检测方法的基础上，充分肯定了电容式土壤水分传感器 在农田土壤水分检测中的优势，并通过实验室实验和田间实验对电容式土壤水分传感 器进行土壤温度和盐分的补偿，创造性地提出了一种基于w s n 和g p r s 无线网络信 息共享的土壤水分检测补偿方法，成功地解决了大范围农田中土壤水分检测过程中成 本和精度之间的矛盾。 本文的主要内容如下： ( 1 )以e c 5 为研究对象，在剖析土壤水分传感器工作原理的基础上，通过 实验室实验建立单个土壤水分传感器的温度和盐分补偿模型，该模型以基于m a t l a b 的最小二乘支持向量机( l s s v m l a b ) 1 3 2 1 为学习工具，有效地提高了单个e c 一5 传感器 的检测精度。 ( 2 )建立土壤水分检测补偿实验平台，本文在查阅大量文献的基础上，将 w s n 和g p r s 技术结合起来，建立土壤水分检测远程监控系统，完成大范围的农田 土壤水分检测补偿过程中相关数据的实时、准确采集。 ( 3 )设计实验平台中各网络节点，包括采集节点、汇聚节点和中转节点，它 们均以c c 2 4 3 0 作为控制芯片，其内部集成了无线收发模块c c 2 4 2 0 ；g p r s 通信模 块选用西门子公司的m c 5 5 。 ( 4 )设计田间实验中各传感节点的布局结构和采集时间间隔，将实验平台采 7 基于w s n 和g p r s 的农田土壤水分检测补偿方法研究 集到的数据进行详细分析；研究土壤温度和盐分的空间变异规律，以地统计学中的变 异函数为工具，得到土壤温度和盐分网络信息共享半径与精度的关系图。 ( 5 )分析土壤水分检测过程中补偿成本与土壤温度、盐分的信息共享范围的 关系，分别结合它们与精度的关系图，建立大范围农田中土壤水分检测补偿模型，探 究网络信息共享范围内补偿精度与成本的关系，验证基于土壤温度和盐分网络信息共 享土壤水分检测补偿方法的有效性。 1 6 2 本文的章节安排 本文由六个章节组成，内容如下： 第一章为绪论，介绍了土壤水分检测方法的研究现状，阐述了国内外水分检测补 偿方法的发展趋势和存在的问题；在分析土壤因子空间变异规律研究现状的基础上， 讨论了基于w s n 和g p r s 网络信息共享的土壤水分检测补偿方法的重要性；简述了 土壤水分检测补偿实验平台的基本组成，安排了全文的组织结构。 第二章在研究了e c 一5 工作原理的基础上，描述了基于影响因子( 土壤温度和盐 分) 空间变异规律补偿方法的原理，详细介绍了补偿中需要的关键技术，包括变异函 数参数的选择、变异函数模型的建立和区域化变量空间异质性的处理方法。同时在建 立基于l s s v m l a b 的单个补偿模型基础上，建立了大范围农田土壤水分检测过程中 的补偿模型。 第三章是土壤水分检测补偿实验平台总体设计，详细介绍了平台的系统结构和各 部分功能的实现；通过各种短距离无线通信技术的比较，选择w s n 技术作为实验平 台中短距离通信技术，并简要介绍了z i g b e e 协议及其拓扑结构的选择；详细研究了 g p r s 技术在远程通信中的优势，探讨了通信过程中存在的问题。 第四章是根据第三章中实验平台各部分功能的要求，通过硬件实现和软件设计完 成实验平