基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络

为了实现农田信息的实时采集、处理与可视化,缩短数据采集和处理间的时差,开发了基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络。系统由集成ZigBee协调器的PDA和带传感器的路由节点组成。通过无线传感器网络,用户手持PDA可实时动态访问田间信息,并控制传感器的供电电源开关,以节省功耗。采集的田间信息包括土壤水分、土壤温度、土壤电导率、空气温湿度。其中土壤温度、空气温湿度传感器为数字式传感器,土壤水分、土壤电导率传感器为模拟传感器。节点通信距离试验表明,正常工作条件下,40 m距离的丢包率只有0.092,满     

集成GPRS、GPS、ZigBee的土壤水分移动监测系统

为了实现土壤水分数据的实时采集、处理、可视化与上传,开发了移动式土壤水分监测系统。系统由集成ZigBee协调器、GPS模块、GPRS模块的PDA和基于ZigBee的土壤水分传感器移动节点组成。ZigBee模块主要用于PDA和移动传感器节点间的无线通信,使PDA能无线获取土壤水分传感器信息,并能控制传感器供电电源的通断。GPS模块用来实时获取传感器的位置信息,为绘制土壤水分时间和空间分布图以及为精细灌溉决策系统提供支持。GPRS模块用来将绑定的节点号、经纬度信息、土壤水分信息通过TCP/IP协议上传至互联网远程上位机,以实现土壤水分时空变异的远程监测。系统既能在PDA内存储信息又能上传互联网,具有良好的便携性和可视性。性能试验结果表明,系统可实时准确远程传输测量数据,内嵌软件根据测量结果绘制的土壤水分空间变异分布图可有效指导精细灌溉。     

基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统

为提高水资源利用率和灌溉智能化管理的需要,设计了以无线传感器网络技术为核心的荔枝园节水灌溉控制系统,该系统的无线通信模块选择CC2530模块,传感器模块包括空气温湿度传感器DHT22,光照强度传感器GY-30,土壤水分含量传感器TDR-3以及一些外围电路,精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤含水率等多项环境信息,通过无线传感器网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和互联网进行数据的传输,保证了传输的实时性和远程性,实现了对荔枝园环境的实时监控;同时,远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤含水率的阈值进行了设定,当土壤含水率的值超过了阈值,服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制,实现双向控制。分析、测试了系统的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的双向有效通信距离达1 205 m,在荔枝园中双向有效通信距离达81.5 m。在传感器节点系统工作周期为30 min情况下,根据试验结果估算出,两节额定容量为3 000 m A·h的3.7 V锂电池串联可使传感器节点持续工作时间最大为500 d,可使电磁阀控制节点工作5 a以上。试验结果表明,该系统运行稳定,网络平均丢包率为3.87%,能够准确监测荔枝园信息采集和控制电磁阀工作,实现和控制荔枝园智能节水灌溉双向通信。     

设施环境无线监控系统的设计与实现

针对设施农业生产环境监控过程中信息监测点和设备控制点分散的情况,设计了一种具有自组织跳转数据传输功能的通用性无线监控系统.以具有ZigBee无线数据传输功能的JN5121模块为核心,设计传感器输入接口和设备控制输出接口,研制实现现场信息的获取和设备控制的前端无线节点;以ARM9为核心扩展多种资源接口作为监控系统主机硬件,在Linux操作系统平台下使用MiniGUI编制监控功能和人机交互界面,通过对前端无线节点的统一协调指挥,完成对环境信息的采集分析和对设备的综合控制.结果表明,系统具有成本低、通用性强、可扩展性强、可靠性高等特点,可方便地应用于温室、大田、养殖等到各种场合的环境监控,从而满足用户的不同需要.     

基于无线传输的稻田灌溉监控系统

为实现稻田环境的监控和节水灌溉,该文设计了基于无线传输的稻田灌溉监控系统,其中包括1个主站和18个基站,采用日精ND250A数传电台进行无线数据通信。基站可按设定的时间间隔自动采集稻田水温、土壤湿度、稻田水位等参数,并当接到主站指令时通过无线传输将数据上传到主站;基站供电采用太阳能蓄电池,以满足传感器运行及无线通讯的能耗需求。PLC控制灌溉设备的运行,运用组态软件设计人机交互界面,可自动或手动进行灌溉操作;工控机可运行基于Web的信息管理系统,监控灌溉现场的运行情况并在显示器上动态显示各种实时操作。该系统运行稳定,能够实现准确的无线数据采集,适用于稻田灌溉的实时监控。     

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0.5~2.9 mS/cm,测量结果能够精确到0.01 mS/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.     

面向田园监测的低成本多光谱图像远程采集节点设计

利用多光谱图像采集设备获取农作物敏感波段的多光谱图像并对其进行分析,已经成为当前农作物生长状态评估的重要手段。但现有的光谱图像采集设备存在价格昂贵、体积较大、分辨率低、需人工搬运设备至田间作业等不足。为此,该文设计一种低成本、高分辨率的多光谱图像远程采集节点,并部署在田园对农作物光谱图像进行实时采集,并远程传输到服务器端,从而实现对农作物状态的持续监测。节点可同时采集RGB彩色图像和3种不同波段光谱图像,图像分辨率可达500万像素,且滤片可更换,因而其可应用于不同作物的图像获取。节点的硬件平台由嵌入式处理器芯片S3C6410、CMOS图像传感器OV5640和自行设计的机械式滤光片转换装置构成。为了实现图像的远程传输,节点集成了3G无线通信模块。采用嵌入式Linux搭建了节点的软件平台,并在此基础上设计了节点的软件系统,实现了滤光片转换的驱动控制、图像采集、图像压缩和3G无线传输等功能。为了验证节点的性能,将节点部署在田园进行了一系列试验测试。测试结果表明,节点能够自动采集RGB彩色和3种波段光谱图像,并通过3G网络无线传输到服务器端。采集和传输大小为133 k B的4幅图像所需总时间约为45.27 s,丢包率为0.54%。试验表明该文所设计的节点能够实时采集和远程传输多光谱图像,可满足田园现场环境多光谱图像获取的需求。     

分辨率实时可调的无线图像传感器节点设计与试验

针对目前用于农业图像获取的图像传感器节点分辨率偏低、分辨率固定不可调的现状,设计并实现一种分辨率实时可调的无线图像传感器节点。节点的硬件平台由ARM处理器S3C6410和CMOS图像传感器OV5642组成,并集成了Wi Fi模块和4 G模块。设计了太阳能供电系统为节点供电。采用嵌入式Linux搭建节点的软件平台,设计了基于驱动层和应用层协作、多线程并发的分辨率实时调整算法,并在应用层实现了分辨率实时调整、图像采集、图像压缩和无线传输等功能。为了验证节点的性能,将节点部署在农田进行了长时间的测试试验。测试结果表明,节点具有7种不同的分辨率,最高可达500万像素,更重要的是它在工作过程中可接收远程用户的指令,实时调整分辨率,进而采集不同精度的农作物图像,并远程传输到服务器端。试验表明所设计的节点可满足用户获取不同精度农业图像的需求。     

柑橘园土壤墒情远程监控系统设计与实现

针对传统的土壤墒情监测手段存在的监测范围小、采样率低等不足,设计实现了基于ZigBee无线传感网络和J2EE三层B/S架构技术的柑橘园土壤墒情远程监控系统。系统采用具有ZigBee无线数据传输功能的XBee-PRO模块和ECH2O型土壤水分传感器EC-5为核心组成传感器节点,部署于柑橘园的各个采集点对土壤墒情信息进行采集、预处理和无线发送等工作,通过基于ARM9的嵌入式网关与Internet网络连接,采集数据传输至远程Web主机,通过远程监控中心系统实现对采集数据分析处理和系统运行的远程和实时监控。进行了不同距离的传感器节点发送数据包的耗时和数据包发送成功率试验,在1 km以内耗时低于100 ms,数据包发送成功率高于98%。试验结果表明,系统实现了稳定可靠的数据传输,适合柑橘园土壤墒情的远程和实时监控。     

基于Zigbee的果蔬冷链配送环境信息采集系统

根据果蔬产品冷链配送对环境监控的多测点、多要素和便捷性等方面的要求,以基于Zigbee技术的JN5139为无线节点信息处理的核心,结合温湿度传感器模块设计了采集节点,构建了车载环境中的无线传感器网络,结合嵌入式和.net技术开发了果蔬冷链配送环境信息采集上位机软件,解决了数据采集和实时监测的问题。整个环境信息采集系统在温度分别为0、5和12℃及相对湿度为90%环境下对冷藏运输车内不同位置进行了数据传输包收发率的测试。结果表明,该系统工作性能稳定,在数据采集和传输等方面均达到了设计要求,可以方便地应用于冷链运输过程中进行环境信息的采集与监测。     

基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统开发与试验

为解决目前水产养殖水质自动监测系统存在布线困难、灵活性差和成本高等问题,该文构建了基于无线传感器网络的水产养殖水质监测系统。该系统的传感器节点负责水质数据采集功能,并通过无线传感器网络将数据发送给汇聚节点,汇聚节点通过RS232串口将数据传送给监测中心。传感器节点的处理器模块采用MSP430F149单片机,无线通信模块由nRF905射频芯片及其外围电路组成,传感器模块以PHG-96FS型pH复合电极和DOG-96DS型溶解氧电极为感知元件,电源模块以LT1129-3.3、LT1129-5和Max660组成的电路提供3.3和±5V。设计了传感器输出信号的调理电路,将测量电极输出的微弱信号放大,满足A/D转换的要求。节点软件以IAR Embedded Workbench为开发环境,采用单片机C语言开发,实现节点数据采集与处理、无线传输和串口通信等功能。监测中心软件采用VB6.0开发,为用户提供形象直观的实时数据监测平台。对系统的性能进行了测试,网络平均丢包率为0.77%,pH值、温度和溶解氧的平均相对误差分别为1.40%、0.27%和1.69%,满足水产养殖水质监测的应用要求,并可对大范围水域实现水质环境参数的实时监测。     

温室环境控制无线传感器网络的服务质量管理

针对基于无线传感器网络构建的温室环境控制系统,为了减少无线网络固有的时变传输延时、丢包、网络拥塞等现象对控制性能的影响,该文从提高网络服务质量（quality of service,QoS）的角度出发,提出一种基于Takagi-Sugeno模糊控制器的QoS管理策略。该QoS管理策略以截止期错失率作为QoS性能评价指标,针对传感器节点和执行器节点之间的数据传输,通过动态调整传感器节点的采样周期,使截止期错失率维持在设定水平,从而提高网络QoS。初步试验表明了该QoS管理策略的合理性、有效性和实用性。该QoS管理策略可以广泛应用于温室、农田、苗圃等区域。该研究为提高无线传感器网络在设施农业中的应用水平做出了有益探索。     

基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统设计

针对当前国内温室群环境智能测控研究现状以及黑龙江省寒地日光温室建设实际,研发了一种基于ZigBee和Internet的温室群环境远程监控系统。该系统由数个独立温室监控系统组成,各独立温室监控服务器将数据汇总至总服务器,由总服务器提供远程监控接入管理服务。各独立温室监控系统传感网部分基于ZigBee网络设计,通信模块采用TI公司新一代片上系统CC2530,ZigBee网络通过RS232-RJ45协议转换器接入局域网。软件算法设计参考了大系统理论,对温室环境因子进行综合调控。通过日光温室实地试验,测试了ZigBee网络通讯稳定性,通讯丢包率控制在4.9%以内,远程监控系统稳定,满足了工程设计需要。     

茶园信息采集无线传感器网络节点设计

针对茶园中所存在的无线通信障碍问题,该文设计了一款适合茶园信息采集的无线传感器网络节点。节点以ATmega128为核心,nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块,SHT11空气温湿度传感器和TDR-3土壤含水量传感器及其外围电路作为传感器模块,并以该节点为硬件平台编写了通信协议、应用程序和后台管理软件。分析、测试了节点的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的有效通信距离达到150 m,与Micaz节点对比室内外通信距离分别提高了200%和150%。在广东省英德茶园基地进行了组网试验测试,结果表明：网络平均丢包率为0.84%,传感器感知精度达到98.2%,能够满足茶园信息采集的应用要求。     

太阳能光伏暗管排水系统能力提升

针对现有太阳能光伏暗管排水系统排水能力不足的问题,该研究以宁夏银北灌区平罗县六中乡太阳能光伏暗管排水系统为例,通过该系统控制区域排水量、集水井和排水沟水位、地下水位埋深等的试验监测,分析了现状系统排水能力和虹吸辅助排水的可行性,计算了虹吸辅助排水能力,探讨了该系统排水能力提高方法.结果表明,现有太阳能光伏暗管排水系统排...     

暗管排水排盐改良盐碱地机理与农田生态系统响应研究进展

暗管排水排盐技术是通过控制地下水位与高效利用降水或灌溉水资源改变土壤水盐运移规律,从而影响土壤盐分分布规律和土壤特性,达到改良盐碱地的效果。本文在对暗管排水排盐技术自身发展及其应用的关键条件总结概述的基础上,对其改良盐碱地机理与农田生态系统响应两方面的科学研究进展进行了综述。暗管排水排盐技术改良盐碱地机理方面的研究主要集中在暗管埋设对"四水"转化规律的改变以及由此带来的地下水埋深控制或灌溉制度变化、控制性排水和定水位排水条件下的土壤水盐运移规律、暗管埋设条件下土壤水盐运移模型模拟等方面。农田生态系统对暗管埋设排水的响应方面的研究主要集中在以土壤理化性状和土壤养分为主的土壤特性响应、作物生长发育和产量品质的生理生态适应性、农田生态系统土地与种植结构和服务功能的改变等方面。本文最后展望了未来研究的关注点。     

基于渗流槽试验的吸附性外包滤料改善暗管排水脱盐效果

农田暗管排水再利用是缓解西北干旱、半干旱地区灌溉水资源短缺的有效途径,而外包滤料的结构与性状是改善暗管出流水质的关键。利用自行研制的渗流槽物理模型试验设备,将取自宁夏银北暗管排水项目区的土样,结合当地盐渍化土壤特征进行重新配置,以吸附性材料代替传统砂滤料,设置了仅敷裹土工布和外裹土工布+10 cm混合滤料两种暗管外包滤料,模拟研究冬灌淋洗盐分条件下,外包滤料结构型式对暗管排水区土壤水盐运移状况的影响及其出口水质状况。监测结果表明:淋洗试验初期,渗水逐渐浸润土壤,土壤中的盐分随水流垂直向下迁移并积聚于暗管周围,即埋深60～90 cm的土层中。淋洗中期,饱和带浸润水位自下而上逐渐上升,仅敷裹土工布的暗管,当饱和带水位超过暗管轴线位置时便开始排水,而包裹混合滤料的暗管,在饱和带水位达到暗管顶部后才开始排水。仅敷裹土工布时土壤整体的平均脱盐率比铺设混合滤料时的小11.45个百分点,两轮淋洗试验后,进入铺设混合滤料暗管水样的平均矿化度较仅敷裹土工布时的水样检测值分别降低了1.89和1.21 g/L,且其暗管排水流量亦明显增大。淋洗后期,试验系统停止供水后,受重力疏干排水滞后效应影响,当饱和带浸润...     

基于压缩感知的资源节约型音频信号采集方法

针对基于无线传感器网络构建的环境监测系统,为减少多媒体信号采样、处理、传输过程所消耗的计算、存储、电能、带宽资源,该文分析了现有信号处理理论和随机采样方法存在的局限性,结合压缩感知理论,提出了一种改进的加性随机采样方法,设计了一种新型的资源节约型音频信号采集算法。该算法依靠传感器节点和汇聚节点的共同协作完成音频信号采集,其中,传感器节点对具有稀疏性的音频信号进行低频随机采样,汇聚节点可从随机采样数据中高概率重构原始信号。将所提出的信号采集方法用于采集粮仓内的赤拟谷盗成虫爬行声,并与已有数据压缩方法进行性能对比。初步试验结果表明：在随机采样频率为196Hz且最大数据重构误差小于0.5%情况下,可实现13个采集节点所获取的78路声信号的远程、无线、实时采集,特别适用于资源有限的无线传感器网络。