專利名稱：基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及土壤含水量測量領(lǐng)域，特別涉及一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置。
背景技術(shù)：
土壤含水量信息的準(zhǔn)確測定對滿足日益發(fā)展的土壤科學(xué)研究和現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對大量、快速、準(zhǔn)確的農(nóng)田區(qū)域范圍土壤水分動態(tài)信息的需求、提高我國農(nóng)業(yè)灌溉用水效率、確保農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、緩解我國用水危機具有重要意義。 傳統(tǒng)的土壤水分傳感器存在小尺度點測量的問題，無法有效實現(xiàn)較大范圍農(nóng)田區(qū)域土壤含水量信息的有效獲取，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合土壤水分傳感器的方式可以實現(xiàn)農(nóng)田土壤區(qū)域土壤水分的測量，但其含水量監(jiān)測的本質(zhì)還是基于土壤水分傳感器的點測量技術(shù)，點測量范圍之外的土壤含水量信息需要采用估計的方式來得到，因此與實際情況還存在一定的差異，而且由于需要使用大量的土壤水分傳感器，部署成本比較昂貴。目前用于土壤環(huán)境信息監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多屬于地上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shè)備來進行工作的，這些暴露在地面上的設(shè)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(yán)重影響?；谶@些弊端，一種無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(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(luò)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(luò)，由美國佐治亞理工學(xué)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(luò)相比，無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)具有隱藏性強，易于布設(shè)，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(luò)基礎(chǔ)上，設(shè)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。

實用新型內(nèi)容本實用新型的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，該裝置無需使用大量的土壤水分傳感器，實現(xiàn)了土壤含水量信息的有效測定，具有低成本測定、信息化采集的優(yōu)勢。本實用新型基于以下的土壤水分時域測量方法，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(luò)，通過測定無線地下節(jié)點之間電磁波信號的傳播時間得到土壤含水量信息。包括以下步驟(I)將無線地下節(jié)點根據(jù)預(yù)先設(shè)定的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)；(2)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)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，組成一個測量對，并將其中一個設(shè)定為測量主節(jié)點，另外一個設(shè)定為測量副節(jié)點；主節(jié)點和副節(jié)點均設(shè)有計時模塊；(3)主節(jié)點和副節(jié)點之間相互發(fā)送電磁波信號，在信號傳遞過程中主節(jié)點和副節(jié)點中的計時模塊分別記錄下各自發(fā)射和接收信號時的時間，進而得到電磁波在二者之間往返傳播的時間；(4)利用下式計算得到土壤含水量Θ — — 2 「 6θ = -5.3 X10 2 + 2.628 x IO15 x — — 4.455 x IO39X — + 3.1347x IO4s x —·\_2d\[_2d\I2d_其中Θ為土壤含水量，單位為％，t為測量主節(jié)點和測量副節(jié)點之間的電磁波往返傳播時間，單位為秒，d為測量主節(jié)點和測量副節(jié)點之間的距離，單位為米；(5)判斷無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)中是否所有相互距離為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(jié)束土壤含水量測量工作。具體的，所述步驟(I)中，預(yù)先設(shè)定的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)拓?fù)鋱D在埋設(shè)前由工作人員規(guī)劃好并預(yù)先存進無線地下節(jié)點處理器單元的存儲器里。更進一步的，所述O. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m。優(yōu)選的，在無線地下節(jié)點組成一個測量對時，先使主節(jié)點、副節(jié)點處于待機狀態(tài)，然后如步驟(3)所述進入如下操作(3-1)主節(jié)點發(fā)送電磁波到副節(jié)點，同時主節(jié)點計時單元開始計時，副節(jié)點接收到電磁波的同時，副節(jié)點計時單元開始計時；(3-2)副節(jié)點中的處理器判斷主節(jié)點所發(fā)送的信號無誤后，發(fā)送電磁波到主節(jié)點，同時副節(jié)點計時單元停止計時；主節(jié)點接收到副節(jié)點發(fā)送過來的電磁波信號后，主節(jié)點計時單元停止計時；(3-3)主節(jié)點計時結(jié)果減去副節(jié)點計時結(jié)果即為電磁波在二者之間往返傳播的時間。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(4)中公式進行復(fù)雜的計算，可以預(yù)先計算在不同t、d情況下土壤含水量Φ的對應(yīng)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(4)得到L后，即可通過查表的形式得到土壤含水量?；跓o線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，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、處理器單元、無線模塊、天線、計時單元，所述供電單元分別與處理器單元、無線模塊，計時單元相連接，所述處理器單元分別和無線模塊、計時單元相連接，所述天線和無線模塊相連接，所述計時單元分別和處理器單元、無線模塊相連接，所述無線地下節(jié)點通過測定相互距離固定的無線地下節(jié)點對之間電磁波信號的傳播時間得到土壤含水量信息。優(yōu)選的，所述供電單元由電池及其LDO穩(wěn)壓電路組成，用于對無線地下節(jié)點其他單元進行供電。[0026]優(yōu)選的，所述處理器單元采用STM32單片機。采用這種單片機功耗低。優(yōu)選的，所述無線模塊采用具有無線收發(fā)功能的無線芯片，優(yōu)選為CCllOl無線芯片，可工作在 315MHZ、433MHZ、868MHZ 以及 915MHZ。優(yōu)選的，所述計時單元采用TDC-GP2時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。這種芯片具有高精度計時功能，采用高精度時間數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)時間測量。優(yōu)選的，所述天線采用螺旋天線。應(yīng)用中，天線與無線模塊相匹配，用于發(fā)送和接收無線電磁波信號。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果I、本實用新型可有效監(jiān)測和評估無線地下節(jié)點之間土壤區(qū)域的含水量信息，無需使用土壤水分傳感器，大大降低了土壤含水量測量成本。 2、本實用新型中測量得到的土壤含水量信息可通過無線地下節(jié)點發(fā)送出去，實現(xiàn)了土壤含水量測定信息的實時傳輸和有效采集，提高了土壤含水量測定的自動化水平。3、本實用新型無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)耗電小，體積小，安全性好，隱蔽性好，可滿足土壤含水量測定長期工作部署的要求。

圖I是本實用新型的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署圖。圖2是圖I所示無線地下節(jié)點的具體構(gòu)成示意圖。圖3是本實用新型所采用方法的流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。實施例I如圖I所示，無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)包括多個無線地下節(jié)點，這些無線地下節(jié)點按照圖I所示被分散部署于被測土壤中，用來檢測含水量、且相互距離固定為d的兩個無線地下節(jié)點組成一個無線地下節(jié)點對，無線地下節(jié)點對之間的距離d固定為3米，深度h為I米。在實際工作過程中，各個無線地下節(jié)點之間的距離和深度可以根據(jù)實際場地的土壤含水量測量需要在O. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m范圍內(nèi)進行相應(yīng)調(diào)整。如圖2所示，無線地下節(jié)點包括供電單元、處理器單元、無線模塊、天線和計時單元。供電單元用于對無線地下節(jié)點的供電，本實施例中采用磷酸鐵鋰電池供電，其工作電壓在3. 2V^3. 7V之間，并使用AMS 1117-3. 3V LDO芯片進行穩(wěn)壓。無線模塊具備無線電磁波信號的收發(fā)功能，采用CCllOl無線芯片，通過配置內(nèi)部寄存器可靈活工作于315MHZ、433MHZ、868MHZ以及915MHZ，并可發(fā)送中斷脈沖給計時單元。天線直接與無線模塊相連，本實施例中選用螺旋天線，用于提高無線電磁波信號收發(fā)靈敏度。計時模塊與處理器單元、無線模塊單元均有連接，具備高精度計時功能，本實施例中采用TDC-GP2時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片，測量精度可達65皮秒，并可接收處理器單元和無線模塊發(fā)送過來的驅(qū)動信號。處理器單元采用STM32單片機，具備高速的信號處理能力，可進行無線通信程序處理，進行土壤含水量測量和計算，并驅(qū)動計時單元、無線模塊進行工作。預(yù)先設(shè)定的無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署圖在埋設(shè)前由工作人員規(guī)劃好并預(yù)先存進無線地下節(jié)點處理器單元的存儲器里。由上述裝置實現(xiàn)的土壤含水量時域測量方法如圖3所示，包括如下步驟(I)將無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在土壤環(huán)境中，并記錄下無線地下節(jié)點的埋設(shè)深度h，埋設(shè)時無線地下節(jié)點對相互之間的距離d。(2)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)啟動并進入休眠狀態(tài)。(3)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)判斷是否已休眠I小時，如未到則繼續(xù)休眠，如到則啟動
土壤含水量測量工作。(4)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機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)點進行土壤含水量測量，并分別配置為測量主節(jié)點和測量副節(jié)點。 (5)測量主節(jié)點和副節(jié)點均發(fā)送啟動脈沖給計時模塊，讓計時模塊處于待機狀態(tài)。(6)測量主節(jié)點發(fā)送無線信號給測量副節(jié)點，同時啟動主節(jié)點計時模塊開始計時。(7)測量副節(jié)點一直處于等待接收狀態(tài)，一旦接收到主節(jié)點信號即啟動副節(jié)點計時模塊開始計時。(8)測量副節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給測量主節(jié)點，并停止副節(jié)點計時模塊計時。(9)測量主節(jié)點一直處于等待接收狀態(tài)，一旦接收到副節(jié)點信號即停止主節(jié)點信號計時。(10)測量主節(jié)點提取主節(jié)點計時模塊的計時數(shù)據(jù)tl。(11)測量主節(jié)點發(fā)送“計時信息請求”指令給測量副節(jié)點。(12)測量副節(jié)點一直處于等待接收狀態(tài)，接收主節(jié)點指令。(13)測量副節(jié)點提取副節(jié)點計時模塊的計時數(shù)據(jù)t2。(14)測量主節(jié)點一直處于等待接收狀態(tài)，并接收副節(jié)點數(shù)據(jù)t2。(15)測量主節(jié)點將節(jié)點間的距離參數(shù)d，電磁波往返傳播時間t=tl_t2代入公式計算得到深度為h處的土壤含水量信息并上傳
- 2Γ 卞「 η6Θ = —5.3 X10 2 + 2.628 x IOis χ — - 4.455 x IO30X — + 3.1347 x IO45 χ —
[_2d\ [_2d\ [_2d_其中Θ為土壤含水量，單位為％，t為測量主節(jié)點和測量副節(jié)點之間的電磁波往返傳播時間，單位為秒，d為測量主節(jié)點和測量副節(jié)點之間的距離，單位為米。(16)無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)判斷是否所有相互距離固定為d的“無線地下節(jié)點對”均已用于測量土壤含水量？如果判斷結(jié)果為否則跳到步驟(4)，如判斷結(jié)果為是則結(jié)束本次土壤含水量測量工作，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)。上述實施例為本實用新型較佳的實施方式，但本實用新型的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本實用新型的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，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、處理器單元、無線模塊、天線、計時單元，所述供電單元分別與處理器單元、無線模塊，計時單元相連接，所述處理器單元分別和無線模塊、計時單元相連接，所述天線和無線模塊相連接，所述計時單元分別和處理器單元、無線模塊相連接，所述無線地下節(jié)點用于通過測定相互距離固定的無線地下節(jié)點對之間電磁波信號的傳播時間得到土壤含水量信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，其特征在于，所述供電單元由電池及其LDO穩(wěn)壓電路組成，用于對無線地下節(jié)點其他單元進行供電。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，其特征在于，所述處理器單元采用STM32單片機。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，其特征在于，所述天線采用螺旋天線。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，其特征在于，所述無線模塊采用CCllOl無線芯片，能工作在315MHZ、433MHZ、868MHZ以及915MHZ。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，其特征在于，所述計時單元采用TDC-GP2時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片。
專利摘要本實用新型公開了一種基于無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)的土壤水分時域測量裝置，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、處理器單元、無線模塊、天線、計時單元，供電單元分別與處理器單元、無線模塊，計時單元相連接，處理器單元分別和無線模塊、計時單元相連接，天線和無線模塊相連接，計時單元分別和處理器單元、無線模塊相連接，無線地下節(jié)點用于通過測定相互距離固定的無線地下節(jié)點對之間電磁波信號的傳播時間得到土壤含水量信息。本實用新型無需使用土壤水分傳感器，大大降低了土壤含水量測量成本，且無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)耗電小，體積小，安全性好，隱蔽性好。
文檔編號G01N22/04GK202710487SQ201220352428
公開日2013年1月30日 申請日期2012年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月19日
發(fā)明者徐興, 洪添勝, 蔡坤, 岳學(xué)軍, 劉永鑫, 王葉夫, 黃雙萍, 林濤 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)