本實用新型專利技術公開了一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量裝置，該裝置包括若干個部署在土壤里面的無線地下節(jié)點，無線地下節(jié)點包括供電單元、微處理器單元、無線通信模塊、天線，所述供電單元分別與微處理器單元、無線通信模塊相連；微處理器單元、無線通信模塊、天線依次連接；所述無線地下節(jié)點用于測量無線信號接收強度，并根據(jù)該強度值得到土壤含水量。該裝置是利用無線信號在土壤里面?zhèn)鬏敃r信號接收強度變化、節(jié)點之間的距離、節(jié)點工作頻率與土壤含水量之間的關系得到土壤含水量信息。本實用新型專利技術無需使用大量的土壤水分傳感器，可以大大減少土壤含水量的測定成本，結構簡單，使用方便。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）
【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本技術涉及土壤含水量測量領域，特別涉及一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量裝置。
技術介紹
土壤含水量的有效測定，對于提高農(nóng)業(yè)用水效率、緩解我國農(nóng)業(yè)用水危機、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，獲得土壤含水量的方法主要有兩種，一種是傳統(tǒng)的田間觀察，即農(nóng)戶親自到農(nóng)田里根據(jù)其經(jīng)驗做出判斷，因為這種方法與農(nóng)戶本身的經(jīng)驗有關，且監(jiān)測范圍有限，所以準確性很低；另一種方法是通過采用土壤水分傳感器來進行測定。這種方法準確度較第一種方法比較客觀準確，但是目前采用的測定技術大多屬于小尺度點測量方法，測量范圍只局限在土壤水分傳感器測量點周圍，因此，如果要實現(xiàn)較大范圍的土壤含水量測量就需要 用到大量的土壤水分傳感器，大大增加了測量成本。目前用于土壤環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡多屬于地上無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，通常是采用有線的方式將傳感器連接到地面上的無線收發(fā)設備來進行工作的，這些暴露在地面上的設備不但影響耕作，無線節(jié)點本身可能也會因為地理、氣象等自然因素使得自身的無線發(fā)射功能受到嚴重影響。基于這些弊端，一種無線地下傳感器網(wǎng)絡(wireless underground sensornetworks, WUSN)為地下監(jiān)測提供了新的手段，成為土壤環(huán)境信息監(jiān)測研究的新方向。無線地下傳感器網(wǎng)絡是指大部分傳感器節(jié)點位于地下土壤中，以無線電作為通信媒質(zhì)的一種全新的傳感器網(wǎng)絡，由美國佐治亞理工學院寬帶無線通信(BroadbandWireless Networks, BffN)實驗室(Akyildiz and Stuntebeck2006)于 2006 年率先提出。與現(xiàn)有的地上無線傳感器網(wǎng)絡相比，無線地下傳感器網(wǎng)絡具有隱藏性強，易于布設，數(shù)據(jù)及時，可靠性強，覆蓋范圍大，監(jiān)測效果均勻，容易升級等特點。因此，如何在無線地下傳感器網(wǎng)絡基礎上，設計出一種成本較低，可靠性較高的土壤水分測量方法和裝置具有極高的理論和實際意義。
技術實現(xiàn)思路
本技術的主要目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量裝置，該裝置基于如下的頻域測量方法，該方法利用無線信號在土壤里面?zhèn)鬏敃r衰減量與土壤含水量之間的關系，通過測量無線信號衰減情況來獲得土壤含水量信息，該裝置和方法中無需使用大量的土壤水分傳感器，可以大大減少土壤含水量的測定成本。本技術公開了一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量方法，由若干個部署在土壤里面的無線地下節(jié)點組成無線地下傳感器網(wǎng)絡，利用無線信號在土壤里面?zhèn)鬏敃r信號接收強度變化、節(jié)點之間的距離、節(jié)點工作頻率與土壤含水量之間的關系得到土壤含水量信息。包括以下步驟(I)任取兩個用于測量的無線地下節(jié)點，將二者天線相互貼緊，選擇其中一個地下節(jié)點，連續(xù)多次測量二者零距離時的RSSI (Received Signal Strength Indication,接收信號強度)值，然后取其平均值Ltl ;將無線地下節(jié)點按照預先設定的無線地下傳感器網(wǎng)絡部署圖部署在待測的土壤里面，組成無線地下傳感器網(wǎng)絡；(2)無線地下傳感器網(wǎng)絡選擇兩個未用來檢測含水量、且相互距離固定為d的無線地下節(jié)點，即一個無線地下節(jié)點對組成測量節(jié)點對，并將其中一個設定為測量主節(jié)點，另外一個設定為測量副節(jié)點； (3)測量主節(jié)點和測量副節(jié)點之間相互發(fā)送信號，在信號傳遞過程中分別記錄下各自的RSSI值；(4)連續(xù)測量η次后，根據(jù)下式計算測量過程中RSSI信號的平均值LH I^ = X ~(A/ + Lii)；Tt 2 其中Lli和L2i分別代表第i次(I彡i彡η)測量得到的主節(jié)點RSSI值和副節(jié)點RSSI 值；(5)根據(jù)下式得到測量主節(jié)點和副節(jié)點之間的土壤含水量Φ L-Ln = -0.5315 + 20logd + 201og(~~) +10Iogfl. 15(1.9769 +16.2587^) * -0.68) 300000000j 00^8 I Μπ/φ065 (1.8874 + · " )d;+IΦ 丄600000000VIO log( I 15(1.9769 十 16.2587沴嚴-0.68)其中L為當前測量節(jié)點對在測量過程中RSSI信號的平均值，單位為dBm，L0為零距離時RSSI信號的平均值，單位為dBm，d為當前測量主節(jié)點和副節(jié)點之間的距離，單位為米，f為無線地下節(jié)點工作頻率，單位為Hz, Φ為土壤含水量,單位為％ ；(6)判斷無線地下傳感器網(wǎng)絡中是否所有可用于測量土壤含水量、且相互距離為d的無線地下節(jié)點對均已用來測量土壤含水量，如否則跳回到步驟(2)，如是則結束土壤含水量測量工作。優(yōu)選的，所述步驟(I)中，預先設定的無線地下傳感器網(wǎng)絡部署圖具體是無線地下節(jié)點在土壤里面部署深度固定為h，被用來測量土壤含水量的兩個無線地下節(jié)點之間的距離固定為山組成一個無線地下節(jié)點對，該網(wǎng)絡拓撲圖在埋設前由工作人員規(guī)劃好并預先存進無線地下節(jié)點微處理器單元的內(nèi)置存儲器里。更進一步的，所述O. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m。具體的，所述步驟(3)中，測量主節(jié)點發(fā)送指令給測量副節(jié)點，測量副節(jié)點接收指令并同時記錄信號的RSSI值，記錄為L1 ;然后測量副節(jié)點對接收到的指令進行解析，如果是土壤含水量測量指令，則將L1連同指令一起發(fā)送到主節(jié)點，主節(jié)點接收信號并同時記錄接收信號的RSSI值，記錄為L2。優(yōu)選的，為了節(jié)約處理時間，避免每次測量后都需要采用步驟(5)中公式進行復雜的計算，可以預先計算在不同L、U、d、f情況下土壤含水量Φ的對應值，然后以表格形式存儲在無線地下節(jié)點的存儲器內(nèi)，在步驟(5)得到L后，即可通過查表的形式得到土壤含水量。一種實現(xiàn)上述基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量方法的裝置，包括若干個部署在土壤里面的無線地下節(jié)點，無線地下節(jié)點包括供電單元、微處理器單元、無線通信模塊、天線，所述供電單元分別與微處理器單元、無線通信模塊相連；微處理器單元、無線通信模塊、天線依次連接；所述無線地下節(jié)點用于測量無線信號接收強度，并根據(jù)該強度值得到土壤含水量。優(yōu)選的，所述供電單元采用可充電電池，其工作電壓在3. 2V-3. 7V之間，最大可提供IOA的瞬時工作電流，并采用LM1117-3. 3低壓差線性穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。優(yōu)選的，所述微控制器單元采用MSP430系列單片機，具備高速的信號處理能力。 優(yōu)選的，所述無線通信模塊采用CCllOl無線模塊。該模塊可工作在免費的433Mhz頻段，具備測量接收信號強度RSSI的功能。優(yōu)選的，所述天線是工作在433Mhz、增益為3dBi的螺旋天線。本技術與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果I、本技術基于無線地下傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)土壤含水量信息的測定可以覆蓋較大范圍內(nèi)的土壤區(qū)域，屬于中尺度土壤含水量測定方法，無需使用大量的土壤水分傳感器，可以大大減少土壤含水量的測定成本。2、本技術利用無線電波在土壤里傳播時信號強度與土壤含水量之間的高度相關特性，實現(xiàn)基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤含水量頻域測量方法，充分利用無線地下節(jié)點本身具有的無線信號監(jiān)測和收發(fā)特性進行土壤含水量的測定，無需再加額外的外圍模塊，大大降低了硬件復雜度和制作成本。3、本技術測量得到土壤含水量信息直接通過無線地下傳感器網(wǎng)絡傳輸出去，無需另外再本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
基于無線地下傳感器網(wǎng)絡的土壤水分頻域測量裝置，其特征在于，包括若干個部署在土壤里面的無線地下節(jié)點，無線地下節(jié)點包括供電單元、微處理器單元、無線通信模塊、天線，所述供電單元分別與微處理器單元、無線通信模塊相連；微處理器單元、無線通信模塊、天線依次連接；所述無線地下節(jié)點用于測量無線信號接收強度，并根據(jù)該強度值得到土壤含水量。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：岳學軍，徐興，洪添勝，蔡坤，王葉夫，劉永鑫，黃雙萍，林濤，
申請(專利權)人：華南農(nóng)業(yè)大學，
類型：實用新型
國別省市：
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