土壤不同频率无线地下传感器网络信号传播特性试验

为探究土壤环境中无线地下传感器网络节点部署要求、信号传输及其应用环境的特性,分别以240、433和868 MHz为载波频率,研究了无线信道下地上至地下、地下至地上和地下至地下3种通信方式中无线射频信号的传播特性和节点埋藏深度、水平节点间距离以及土壤含水率等影响因素之间的关系,获得了接收信号强度、误码率等数据,并进行了统计分析。试验结果表明,节点埋藏深度和土壤含水率对AG-UG和UG-AG通信中RSSI和BER影响的24种模型拟合优度,R2最大为0.997,最小为0.910。水平节点间距离和土壤含水率对UG-UG通信中RSSI和BER影响的12种模型拟合优度,R2最大为0.971,最小为0.866。此外,建立了433 MHz频率下RSSI变化的三维曲面,可直观反映土壤环境下无线信号的传播特性,并采用SPSS软件对模型进行了验证。AG-UG和UG-AG通信中,拟合优度R2最小为0.954,最大为0.998,均方根误差RMSE在0.729~3.198 d Bm之间。UG-UG通信中,拟合优度R2最小为0.854,最大为0.960。均方根误差RMSE在3.238~6.553 d Bm之间。验证试验结果表明,该模型可以较好地预测不同条件通信中的接收信号强度,为土壤环境中无线地下传感器网络的部署和系统的建立提供了技术支持。     

土壤水分无线传感器网络节点设计与测试

在研究无线地下传感器网络(wireless underground sensor networks,WUSN)技术应用于农业灌溉时,利用嵌入式处理器和射频模块开发设计了无线地下传感器网络节点和汇聚节点。WUSN节点由传感器、处理器、无线通信和能量供应模块组成,处理器采用MSP430单片机,射频模块采用433MHz频率的H8410通信模块,汇聚节点由RF收发模块、核心控制电路、信息处理、数据存储、液晶显示和电源等部分组成。WUSN节点采集土壤水分信息,并发送给汇聚节点,实现对信息的汇总、分析、处理、存储、显示和传输。对不同的土壤含水率进行试验,得出节点低含水率下无线电信号的路径损耗和误码率最小。同时,通过节点埋藏深度的改变对信号衰减的影响,得出有效传输的最佳WUSN节点埋藏深度。无线地下传感器网络节点的设计在农业信息采集、灌溉等方面具有广阔应用前景。     

土壤信息采集传感器节点的透地通信特性试验

为了揭示电磁波在土壤中传输的一般特性,部署无线地下传感器网络节点,设计了土壤信息采集传感器节点的透地通信试验.试验利用433 MHz载波频率无线地下传感器网络节点,通过小麦大田试验和计算机模拟,对不同的接收节点高度、发射节点和接收节点间水平距离等条件下传感器节点电磁波的传输特性进行了研究,建立了接收信号强度和丢包率的关系模型,提出了小麦4个生育期农田土壤信息采集传感器节点在土壤中的传输特性.试验结果表明,接收节点高度变化时,接收节点高度和节点间水平距离对接收信号强度影响的8种模型拟合优度,R²最大为0.998,R²最小为0.837;对丢包率影响的8种模型拟合优度,R²最大为0.998,R²最小为0.900.节点间水平距离变化时,接收节点高度和节点间水平距离对接收信号强度影响的8种模型拟合优度,R²最大为0.958,R²最小为0.847;对丢包率影响的8种模型拟合优度,R²最大为0.997,R²最小为0.941.     

小麦不同生育期的无线传感器网络透地通信特性研究

为了在小麦大田中合理布置无线地下传感器网络节点,研究了433 MHz无线地下传感器网络在小麦四个主要生育期的传输特性,通过MATLAB建立小麦4个生育期中RSSI变化的三维曲面模型,得出RSSI拟合模型和拟合优度,并采用SPASS对模型进行了验证。分蘖期试验中,拟合优度R~2最小为0.714,最大为0.927,RMSE在1.518～3.372 dBm之间。拔节期试验中,拟合优度R~2最小为0.664,最大为0.986,RMSE在0.571～3.491 dBm之间。抽穗期试验中,拟合优度R~2最小为0.673,最大为0.888,RMSE在1.569～4.372 dBm之间。灌浆期试验中,拟合优度R~2最小为0.665,最大为0.784,RMSE在4.062～4.842 dBm之间。该模型可以较好地预测不同条件下透地通信中的RSSI,为土壤信息采集中传感器网络的节点部署和系统的建立提供了技术支持。     

西红柿温室内无线传感器网络2.4 GHz信道传播特性

针对西红柿温室环境中无线传感器网络节点部署的要求及其应用环境的特性,以2.4 GHz为载波频率,研究了无线射频信号传播特性和通信距离、天线高度、传输路径等影响因素间的关系。结果表明,无线传感器网络信号在西红柿温室中的衰减符合对数模型;当天线高度固定时,接收信号强度随通信距离的增加总体呈递减趋势,丢包率随通信距离的增加总体呈递增趋势;西红柿温室中天线最宜部署在日光温室中央一列的位置,且西红柿顶部略高于它的位置为放置天线高度的首选,其次为西红柿顶部距地面1.5 m以上的部分,越接近西红柿顶部越好;在上述试验研究的基础上,建立了天线高度、通信距离和接收信号强度之间的关系模型,模型参数A与天线高度、衰减系数n与天线高度之间均呈二次多项式关系。验证试验结果表明:该模型可以较好地预测不同天线高度不同通信距离的接收信号强度,为西红柿温室无线传感器网络的部署提供技术支持。     

番茄根系层土壤水分变化规律及标定方法研究

研究了番茄根系层土壤含水率的变化规律及番茄根系在土层的分布状况,从而准确确定根系层耗水最强烈的区域。结果表明,番茄根系层土壤含水率及波动幅度随距植株水平距离的增加而递减。距植株5cm处土壤含水率最小值从苗期的10cm土层下降到开花结果期的20cm土层。苗期一个灌水周期内,距植株15cm处苗期土壤含水率随土层深度的变化随灌水后时间推移趋于平缓,开花结果期10~20cm土层土壤含水率达到最小。苗期和开花结果期,距植株25cm处土壤含水率均表现为10cm以上土层变化较大,10cm以下土层土壤含水率随深度变化不大。苗期到开花结果期,土壤水分低值区域范围水平方向扩大,竖直方向扩大并下移。苗期可用距植株5cm处0~10cm土层含水率,开花结果期可用距植株5cm处0~30cm土层含水率计算作物蒸腾量。     

秸秆颗粒形态对沟灌入渗特征影响的试验研究

为了探明秸秆粉碎颗粒形态对沟灌土壤水分运移特征和土壤质量含水率分布状况的的影响,采用具有不同秸秆粉碎形态的玉米叶(片状)和玉米芯(颗粒状),进行了室内试验研究,并采用HYDRUS-2D软件对不同处理湿润锋运移情况进行了模拟.结果表明:具有片状形态的玉米叶各处理,随混掺比例及埋深的不同,均能降低土壤的入渗率,而具有颗粒形态的玉米芯处理显著增加了土壤入渗率;玉米芯混掺处理表明在埋深(10,15］ cm设置混掺层能增大土壤的垂向运移距离,18%土壤质量含水率等值线垂向距离明显大于埋深(5,10］ cm处理的;玉米叶不同埋深处理表明埋深(10,15］ cm比(5,10］ cm更能增加18%土壤质量含水率等值线的水平距离;3%Y10~15(混掺比例3%,玉米叶,埋深(10,15］ cm)处理最大土壤质量含水率值达到21%,而其垂向运移距离最短,说明该处理能够有效地阻滞水分的垂向入渗,增强植物混掺层上部土壤质量含水率;采用HYDRUS-2D软件模拟的湿润锋运移值与实测值误差在3%以内,说明其能够准确描述植物混掺条件下沟灌入渗过程中的湿润锋运移特征.     

番茄盛果期根系层土壤水分变化规律研究

为了解温室番茄根系层土壤水分变化规律与根系之间的关系,采用TREME水分传感器测定了番茄盛果期根系层距植株不同水平距离不同土层的土壤含水率,同时测定了番茄盛果期不同阶段根的长度及数量,研究了土壤含水率在水平方向及竖直方向随时间的变化规律。同时根据番茄根系层土壤含水率等值线分布图及根系层土壤含水率低值区,分析了根系层土壤含水率变化规律与番茄根系分布间的关系。结果表明:番茄盛果期由于耗水量较大,根系得到较大发展,总根数及最长根长度均呈递增趋势,根系吸水范围扩大,主根系长度主要集中在5~20cm。盛果期0~30cm土层土壤含水率变化明显,地表以下15~25cm距植株0~10cm范围内最易出现土壤水分低值区,且随时间的推移,土壤水分低值区向外逐渐扩展。根系密集分布区易形成土壤水分低值区,根系的分布范围与土壤水分的明显变化区域具有较好的一致性,番茄根系附近的土壤水分状况可作为确定灌水量和灌水时间的依据。     

基于无线传感器网络的土壤含水率监测系统设计

针对农业生产过程中信息监测点相对分散和数据有线传输方式的局限性,设计和开发了一种基于无线传感器网络的农田土壤含水率监测系统,系统由3个土壤含水率监测终端节点、1个路由节点和1个网关节点组成。传感器采用蓄电池供电,终端节点和路由节点采用干电池供电,各节点间通信遵循Zigbee通信协议。同时,开发了数据采集、无线通信等程序,能够以任意时间间隔采集监测点土壤含水率数据,实现数据的处理、传输和存储等功能。实验结果表明,系统能实现数据的稳定传输,适合农田土壤含水率实时监测。     

水分传感器埋设深度及个数对墒情精度的影响

在灌溉预报过程中,要利用土壤水分传感器监测土壤墒情,同一剖面土壤水分传感器埋设数量越多,测墒精度就越高,在实际应用时,就要求减少土壤水分传感器的埋设数量以降低系统的成本,并保证一定的测墒精度。选取4个试验区,在0～100 cm土层深度内,采用取土烘干法测得5个测试深度土壤水分数据。分析了0～60和0～100 cm土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关关系,并设置了1个监测点和2个监测点不同组合的对比,分别计算了各种情况下土壤剖面平均含水率与监测点含水率的相关系数(R2)、平均相对误差(δR)以及均方根误差(RMSE)。研究结果显示:一个监测点时,40 cm深度的含水率能较好地反映0～60 cm土壤剖面平均含水率,R2达到0.95以上; 0～100 cm土壤剖面平均含水率用60 cm深度含水率反映,R2能达到0.93。两个监测点时,20/50 cm处的含水率与0～60 cm土壤剖面平均含水率的相关性最高,R2为0.994; 0～100 cm土壤剖面平均含水率与40/70 cm处的含水率相关性最高,各试验区平均的R2为0.965。     

下衬阻水板宽度对地下滴灌土壤水分运移的影响

【目的】提高深埋地下滴灌在作物生长初期的水分供应能力,降低其深层渗漏风险。【方法】设置无阻水板、下衬7.8 cm阻水板及9.4 cm阻水板的点源地下滴灌土槽试验,测定下衬阻水板宽度对地下滴灌土壤湿润锋运移和土壤水分分布的影响程度。【结果】下衬阻水板不影响地下滴灌土壤湿润锋形状,仍近似于扁椭圆形,但改变了地下滴灌土壤湿润模式;下衬阻水板对地下滴灌土壤水分水平方向运移距离影响不大,但明显增加了土壤水分垂直向上运移距离,减小了土壤水分垂直向下运移距离,使得地下滴灌土壤湿润体整体向上层迁移,阻水板越宽,土壤湿润体向上层迁移的越明显。下衬阻水板可以调整土壤湿润体内的土壤水分分布,随着下衬阻水板宽度的增大,浅层(0~10 cm土层)土壤含水率增大,而深层(50~60 cm土层)土壤含水率减小。【结论】下衬阻水板可以促进地下滴灌土壤湿润体及水分向上层土壤集中,有利于保障作物生长初期的水分供应。     

降雨集流渗灌系统室内模拟土壤水分运动研究

为解决宁南山区旱地经济林干旱缺水的现状及小降雨(4~16 mm)无法入渗到根系(20~40 cm)分布范围,设计了一种降雨集流渗灌装置,通过室内土箱试验,以降雨量作为控制因子,研究不同雨量条件下径向和垂向土壤水分的运动特征。结果表明:随雨量增加累计入渗量逐渐增大,入渗速率逐渐减小;不同雨量条件下土壤含水率增量在垂向0~40 cm范围内随土层深度的增加呈先增加后减小的趋势,径向沿距渗灌器距离的增加逐渐减小;灌水结束24 h后土壤水分高含水率区主要分布在垂向20~40 cm和径向0~20 cm,湿润体大致呈半椭球体;集流渗灌器明显提升了小降雨的利用,使经济林主要根系分布范围(20~60 cm)内,土壤含水率明显增加,有利于缓解经济林生育期缺水,促进其生长,该研究结果可为集流渗灌器在田间推广应用提供可靠的数据支撑。     

土壤湿度采集节点电压补偿方法——基于最小二乘支持向量机

针对适用于WSN土壤湿度采集节点的EC-5传感器对电源电压敏感的问题,从传感器工作原理入手,分析电源电压引起检测误差的来源,且发现当传感器各项参数确定后,这种误差是随被测土壤湿度增大而增大的。采用CC 2 4 3 0芯片作为WSN信息传输节点,建立具有多节点的上下位机WSN土壤湿度采集系统,以节点电压和被测土壤实际湿度为对象,运用最小二乘支持向量机对采集节点中非线性土壤湿度传感器系统进行逆向建模,在上位机上实现由电源电压引起EC-5传感器检测误差的补偿。实验和仿真结果表明,该方法能有效地减少节点电池电压变化对WSN土壤湿度采集精度的影响。     

基于时域传输原理的土壤水分测试仪研究

为利用时域测量技术实时、快速、准确地测量土壤水分,设计了一种低成本的基于时域传输(TDT)原理的土壤水分测试仪。仪器的探头采用末端封闭的回路结构,信号在探头上单程传输,通过测量电磁波在土壤介质中的传输时间测量出土壤的介电常数,再通过土壤标定方程得到土壤水分。时域传输仪由高频脉冲信号源、同轴传输线、U型回路结构探头、以TDC-GP2时间间隔测量芯片为核心的传输时间测量电路和以LPC2132 ARM微控制器为核心的控制电路组成。通过标准溶液测试和土壤测试试验,验证了双U型探头的测量结果好于单U型探头,仪器使用双U型探头测量传输时间的均方根误差为43.9 ps,测量介电常数的均方根误差为0.791,使用TOPP方程测量砂土土壤含水率的均方根误差为0.029 cm~3/cm~3,测量壤土土壤含水率的均方根误差为0.039 cm~3/cm~3。结果表明设计的时域传输土壤水分测试仪可以准确地测量土壤介电常数和土壤体积含水率。     

农田土壤温度和水分空间变异研究

以静海县良种场内面积为4400m2的冬小麦田作为试验区,采用规则格网采样,按照10m×10m设置格网,共设52个采样点,通过GPS手持机确定点的位置,利用土壤温湿度检测仪测定了各个采样点0~20、20~40cm二个不同深度土壤的含水量和温度,利用ARC/INFO的地统计分析模块绘制了试验区土壤温度和水分空间分布图,并分析了其垂直和水平方向的空间变异特征,可为确定冬灌的最佳灌溉时机和灌溉量提供科学依据。     

蔬菜大棚墒情传感器垂向埋设位置研究

针对当前国内外墒情传感器分层布置的习惯及降低传感器埋设量的愿望,研究了蔬菜大棚墒情传感器在垂向上的代表性问题。以江苏省宿迁市宿城区番茄大棚为例,利用Hydrus-1D模型分别模拟番茄苗期、开花坐果期和盛果采摘期灌水之后15 d内的根系层内含水率分布变化的情况。根据模拟结果,将40 cm的主要根系层平均分为10个土层,通过对灌水后各个土层含水率与根系层平均含水率进行显著性检验,进一步将无显著性差异土层内各测点的含水率与根系层平均含水率进行比较。结果表明,10~16 cm深度区域的土壤含水率基本能够代表根系层的平均含水率。因此,蔬菜大棚内单个墒情传感器应当埋设在10~16 cm的深度范围。     

西北旱区葡萄园土壤水分空间分布研究

研究于我国西北旱区武威市一葡萄园内进行,根据葡萄行走向按照30m×30m设置网格,共设计60个采样点。测定表层(10～20cm)、葡萄根区(20～80cm)、深层(80～100cm)3个层次土壤水分。采用传统统计与地统计相结合的方法对土壤水分空间分布状况进行分析,结果表明,各层次土壤水分均服从正态分布,具有中等变异强度,并随着深度的增加呈现出先增加后减小的趋势;各层次土壤水分具有较强的空间相关性,其理论变异函数的有效变程分别为117.04、167.92、174.81m;采用克立格插值方法绘制的各层次土壤水分分布图可以为灌溉制度的制定提供参考。并给出了不同置信水平及精度要求下的合理取样数目。     

亚表层有机培肥调控盐渍土孔隙结构与水盐运移机制

为探明亚表层有机培肥结合地膜覆盖对土壤孔隙结构及其水盐运移的调控机制,以内蒙古河套灌区典型盐渍土为研究对象,设置了地表不覆膜(CK)、地膜每年覆盖(PM)和亚表层单次有机培肥+地膜每年覆盖(OMP)3个处理,3年后采用X射线CT扫描和图像处理技术获取了部分亚表层(15 ～21 cm)与深层(35 ～41 cm)土壤孔隙...