农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

1、 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 217 13 刘卉，汪懋华，王跃宣，等基于无线传感器网络的土壤 温湿度监测系统的设计与开发J 吉林大学学报： 工学版， 2008，38(3：604608 Liu Hui, Wang Maohua, Wang Yuexuan, et al. Development of farmland soil moisture and temperature monitoring system based on wireless sensor networkJ. Journal of Jilin University :Engineering

2、and Technology Edition, 2008, 38(3: 604608. (in Chinese with English Abstract 14 乔晓军，张馨，王成，等无线传感器网络在农业中的应 用J农业工程学报，2005，21(增刊 2：232234 Qiao Xiaojun, Zhang Xin, Wang Cheng, et al. Application of the wireless sensor networks in agricultureJ. Transactions of the CSAE, 2005, 21(Supp2: 232234. (In Chines

3、e with English Abstract 15 Li Z. Development of Wireless sensor net work technology in soil property monitoringD. Stillwater, USA: Oklahoma State University, 2009. 16 Decagon Device Inc. ECH2O Probe Operator s Manual, Version 5EB/OL. ag_research/ soil/ec5.php, 2006. Design of wireless sensor network

4、 system based on in-field soil water content monitoring Li Zhen1,2, Wang Ning2, Hong Tiansheng1, Wen Tao1, Liu Zhizhuang1 (1. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machinery and Equipment of South China Agricultural University, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China; 2. Department

5、 of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University, 111 Ag Hall, Stillwater, 74078, USA Abstract: For finding a way to retrieve, transmit and store data in large-scale, full-coverage soil water content monitoring, a wireless sensor network system was developed and tested. The sys

6、tem was composed of ten sensor nodes, one central node to collect data from the sensor nodes and one base node connected to a PC to retrieve, store, and present the data. Soil water contents at four depths, i.e., 5.00, 15.24, 30.48 and 60.96cm below soil surface, were continuously monitored. TinyOS

7、and ZigBee were applied as operation system and communication protocol, respectively. EC-5 low-power and low-cost soil moisture sensor was applied. Solar powering module met the energy requirements of both sensor and central nodes. Packet delivery rate (PDR experiment results indicated that, overall

8、, a stable data transmission was achieved since 7 out of 10 sensor nodesPDR were higher than 90% and another one was 89.2%. Due to manufacturing imperfection, two sensor nodesPDR was lower than 70%. This problem was fixed by replacing powering circuits of the two nodes. Key words: precision agricult

9、ure, wireless sensor network, soil water content, TinyOS 农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计 作者： 作者单位： 李震， Wang Ning， 洪添胜， 文韬， 刘志壮 李震(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;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， Wang Ning,洪添胜,文韬,刘志壮(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 农业工程学报 TRANSACTIONS OF THE CHI

10、NESE SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERING 2010，26(2 0次 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 引用次数： 参考文献(16条 1.高峰,俞力,张文安,等.基于作物水分胁迫声发射技术的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究J.农业工程学报,2008,24(1:6063.Gao Feng,Yu Li,Zhang Wenan,et al.Preliminary study on precision irrigation system based on wireless sensor networks of acoustic emission techniq

11、ue for crop water stressJ.Transactions of the CSAE,2008,24(1:60-63.(in Chinese with English Abstract 2.Jackson T,Mansfield K Saafi M,et al.Measuring soil temperature and moisture using wireless MEMS sensorsJ.Journal of Measurement,2007,41(4:381 -390. 3.Huisman J A,Sperl C,Bouten W,et al.Soil water c

12、ontent measurements at different scales:accuracy of time domain reflectometry and ground-penetrating radarJ.Journal of Hydrology,2001,245(1:48-58 4.Huisman J A.Snepvangers J J J C,Bouten W,et al.Mapping spatial variation in surface soil water content:comparison of ground-penetrating radar and time d

13、omain reflectometryJl.Journal of Hydrology,2002,269(3:194-207. 5.Lambot S,Weihermuller L,Huisman J A,et al.Analysis of air-launched ground-penetrating radar techniques to measure the soil surface water contentJ.Water Resource Research,2006,42:W11403. 6.Jackson R D,Kustas W P,Choudhury B J.A reexamin

14、ation of the crop water stress indexJ.Irrigation Science,1988,9(4:309-317. 7.Bindlish R,Borros A P.Multi-frequency soil water inversion from SAR measurements with the use of IEMJ.Remote Sensing Environ,2000,71(1:67-88. 8.Kelleners,T J,Soppe R W O,Ayars J E,et al.Calibration of capacitance probe sens

15、ors in a saline silty clay soilJ.Soil Science Society of America Journal,2004,68(5:770-778. 9.张振华,蔡焕杰,杨润亚.红外遥感估算春小麦农田土壤含水率的试验研究J.农业工程学报,2006,22(3:84-87.Zhang Zhenhua,Cai Huanjie,Yang Runya.Experiment on estimating soil moisture content of spring wheat field with infrared remote sensingJ.Transactions

16、 of the CSAE,2006,22(3:84-87.(in Chinese with English Abstract 10.王殊,阎毓杰,胡富平,等.无线传感器网络的理论及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2007. 11.纪金水.ZigBee无线传感器网络技术在工业自动化中的应用J.工业仪表与自动化装置,2007,(3:71-76.Ji Jinshui.The application of ZigBee wireless sensor networking to an industrial automatic monitor systemJ.Industrial Instrume

17、ntation and Automation,2007,(3:71-76.(in Chinese with English Abstract 12.郭世富,马树元,吴平东,等.基于zigsee无线传感器网络的脉搏信号测试系统J.计算机应用研究,2007,24(4:258-260.Guo Shifu,Ma Shuyuan,Wu Pingdong,et al.Pulse wave measurement system based on Zigbee wireless sensor networkJ.Application Research of Computers,2007,24(4:258 -2

18、60.(In Chinese with English Abstract 13.刘卉,汪懋华,王跃宣,等.基于无线传感器网络的土壤温湿度监测系统的设计与开发J.吉林大学学报:工学版,2008,38(3:604608.Liu Hui,Wang Maohua,Wang Yuexuan,et al.Development of farmland soil moisture and temperature monitoring system based on wireless sensor networkJ.Journal of Jilin University:Engineering and Tec

19、hnology Edition,2008,38(3:604608.(in Chinese with English Abstract 14.乔晓军,张馨,王成,等.无线传感器网络在农业中的应用J.农业工程学报,2005,21(增刊2:232-234.Qiao Xiaojun Zhang Xin,Wang Cheng,et al.Application of the wireless sensor networks in agricultureJ.Transactions of the CSAE,2005,21(Supp2:232234.(In Chinese with English Abst

20、ract 15.Li Z.Development of Wireless sensor net work technology in soil property monitoringD.Stillwater,USA:Oklahoma State University,2009. 16.Decagon Device Inc.ECH_2O Probe Operators Manual,Version 5EB/OL. ag_research/ soil/ec5.php,2006. 相似文献(10条 1.期刊论文 张喜海.张长利.房俊龙.于啸.梁建权 面向精细农业的土壤温度监测传感器节点设计 -农业机

21、械学报2009,40(z1 设计了一种能够监测土壤温度的无线智能传感器节点,硬件系统基于片上系统CC2430和DS18B20进行开发,软件部分包括温度采集和数据传输.实验表明,该节点可以实现土壤温度 信息的采集和传输,且结构紧凑、工作稳定和功耗低.节点之间有效通信距离可达80m,误码率为1%左右.可以满足精细农业作业要求,同时也为无线传感器网络通信协议的进一步研究提 供了实验平台. 2.期刊论文 曾炼成.罗志祥.解志坚.ZENG Lian-cheng.LUO Zhi-xiang.XIE Zhi-jian 基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉系统 -农 业网络信息2008,(11 提出了一种基于

22、无线传感器网络的农田自动节水灌溉的构建方案,详细介绍了传感器节点和灌溉控制器的设计.无线传感器网络实时采集、传输传感器数据,灌溉控制器控制灌溉 管网,分区域实时灌溉并调节土壤湿度,实现精细农业所要求的时空差异性和水资源高效利用. 3.学位论文 范林涛 基于Zigbee、GPRS的农田数据获取系统设计与实现 2008 针对当前农业生产的高能耗、低效率、高污染的现状，精细农业的低投入、高效率以及环保特性使其成为农业工程学科前沿性的研究领域之一。精细农业类似于精耕细作，主要 是针对农作物及其生长环境存在的时间和空间差异，实施精确的变量管理措施。因此，获取农作物的生理参数和农田的环境参数是精细农业实施

23、的前提和关键技术之一。 目前，农作物生理和环境参数的数据获取技术的发展远远落后于精细农业的其它分支技术。现有各类采集设备往往针对某一参数或某一定点进行采集；而集成的采集系统较少 ，通用性、扩展性和便携性较差。本文主要研究农田信息获取系统，包括数据的采集和传输，具体工作如下： 1、详细介绍了精细农业的概念、技术体系、发展和现状及其实施意义。进而具体介绍了精细农业技术体系中一些重要的应用技术， Zigbee技术、GPRS技术和包括传感器技术。 2、研究和设计了一款基于Zigbee和GPRS技术的农田数据采集传输系统。无线传感器网络Zigbee技术允许在大面积的农田内部进行分布式的数据采集和传输；G

24、PRS技术可以随时 随地的对农田数据进行远程的采集和传输。 3、通过实验验证了数据采集和传输系统的有效性。远程控制终端通过GPRS的移动通信网络给Zigbee无线网络的协调器下达采集数据指令，协调器通过Zigbee无线网络将命令传 递给相应的采集节点来执行；数据以相反的方向从采集节点传输到远程控制终端，实现了远程实时数据获取的功能。 4、精细农业是相当复杂的范畴，短期的研究并不能解决其中的所有问题，数据采集传输系统本身仍然存在很多问题。针对这些问题，本文在结尾做出了一些总结和展望。 4.学位论文 魏军利 基于GPS、GPRS的农田信息采集系统研究与设计 2007 20世纪90年代以来，精细农业

25、己经成为农业工程学科前沿性的研究领域之一，国内外许多专家学者对精细农业进行了大量的研究和实践。精细农业的核心是针对农作物及其生长 环境存在的空间和时间分布的差异，实施精确的变量管理措施。快速有效的采集和描述作物及其生长环境的空间变量信息，是实现精细农业的重要基础。 目前，作物和环境信息采集的技术远远落后于其他支持精细农业的技术的发展。现有的各类采集设备多是针对某一个参数进行采集，集成的数据采集系统比较少，通用性和扩展 性差。本文主要研究农田信息采集系统，包括传感器、数据采集仪器和无线传输等几部分。 具体工作有以下几点： 研究和分析国内外各类农业传感器。了解各类先进传感器的特点并对它们进行分类，

26、选择几个有代表性的传感器作为本系统中使用的传感器。 研究和设计一款无接触式植物增量传感器。采用激光+线阵CCD的光路结构，采用C8051F130单片机来处理增量信息，设计具体的硬件电路和软件程序，最终将增量信息转变为标 准的0-5V电压信号输出，给出了实验结果和误差分析。 搭建一个基于GPS和GPRS的农田信息采集系统。该系统能够采集所需要的各类参数，集成GPS接收机和GPRS模块，数据采集器将GPS和传感器的信号通过GPRS模块以无线方式实时 传输到计算机中，实现信息远程采集。 设计一个通用的基于无线传感器网络的嵌入式农业综合信息采集方案。该平台以无线传感器网络来实现传感器到数据采集仪器的信

27、息传输，网络内的每个节点可以采集多种参数 ，基站负责对外通信。基站互连组成一个大型的监控网络，并给出了一种实现方式。 5.期刊论文 刘卉.汪懋华.王跃宣.马道坤.李海霞.Liu Hui.Wang Mao-hua.Wang Yue-xuan.Ma Dao-kun.Li Hai-xia 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 -吉林大学学报（工学版）2008,38(3 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ARM

28、9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. 6.期刊论文 刘卉.汪懋华.孟志军.张漫.李海霞 农田环境中短程无线电传播性能试验 -江苏大学学报（自然科学版）2010,31(1 为了研究农田环境中传感器节点短程无线电传播性能,选择冬小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型生育期,进行无线电传播路径损耗试验,通过测量不同天线高度

29、、不同传输距离处 的接收信号强度指示(RSSI,研究农田作物障碍对无线电传播衰减的影响.试验结果表明:3个生育期中2.4 GHz无线电信号在6个天线高度条件下的路径损耗均符合对数距离路径损耗模 型,平均路径损耗指数分别为1.96,2.13和 2.42.作物植株高度和冠层密度可以作为农田环境动态变化下影响无线电传播的重要特征参数,与无线电的路径损耗指数之间具有明确的相 关关系. 7.会议论文 梁学东.田日才 无线传感器网络与TCP/IP网络互联的设计与实现 2006 无线传感器网络由成百甚至上千个传感器节点组成,每个节点都具有感知、计算、和通信能力,这些传感器节点通过无线信道连接起来.无线传感器网络目前广泛应用在野外生命 栖息监测、森林防火、精细农业等领域.为达到远程访问无线传感器网络的目的,通常需要将无线传感器网络与其它现有网络互联.本文以实际的无线传感器网络应用为例,采用控制节 点内嵌TCP/IP协议栈作为网关节点的方法,来达到连接无线传感器网络与TC