橘园无线传感器网络不同节点部署方式下的射频信号传播试验

为解决橘园中无线传感器网络（WSN）规划和快速部署问题,该文基于无线射频信号的传播特性,研究了橘园中WSN射频信号与影响因素间的关系。试验中选取433 MHz载波频率,基于连续无线电波分析了WSN射频信号受植被深度、天线高度和通信距离等因素联合作用下射频信号在橘园的衰减情况,建立了橘园中不同影响因素作用下,433 MHz无线射频信号接收强度与环境传播因子及通信距离间的线性模型,拟合曲线的R2最低为0.797,最高为0.980,验证了此模型用来预测橘园中影响因素对接收信号强度衰减趋势的可行性;得到了基于无线射频信号接收强度指示下不同植被深度、天线高度和通信距离变化联合作用下的最佳天线高度分布表,为无线传感器网络在橘园中的节点部署提供指导。     

稻田水分监测无线传感器网络优化设计与试验

传感器网络技术为大范围稻田水分信息采集提供了一种新技术手段。利用测量稻田水分含量和水层深度测量的无线传感器WFDMS,探讨了构建稻田水分传感器网络PMSN的关键技术：设计了大面积、大范围应用体系结构模型;提出了一种满足稻田水分采样频率和数据业务需求的低功耗传输控制协议LPTP-PMSN;开发了水分信息监测信息管理系统,实现了完整运行的稻田水分传感器网络整套系统。试验表明,PMSN网络在稻田中的可靠通信距离达60 m,在 3.6 V/2 100 mAh电池供电下,4 h周期采样试验中,在传输协议LPTP-PMSN控制下,传感器、簇首、基站、短信网关、计算机间能够协同工作,整个稻田水分传感器网络可以较可靠运行,节点生命期超过190 d。该研究可为农用信息监控无线传输网络的其他应用提供参考。     

基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统

移动无线传感器网络技术为农田信息监测提供了高效可行的技术手段。该研究根据南方农田地块相对分散、丘陵山地多,农情信息获取环境恶劣、采集数据时间周期长、网络分割成块的特点,利用UAV(unmanned aerial vehicle)具有的高效、灵活的特性,结合低功耗无线传感器网络,提出一种满足南方农田信息获取采样和数据业务需求的三层架构的无线传感器网络体系结构TUFSN(three-tire unmanned aerial vehicle farmland sensor network),其由数据采集层、中继传输层和移动汇聚层组成,该体系结构具有系统结构合理、可扩展性好、系统整体能耗低等特点。通过仿真可得中继节点RN（relay node）的缓存大小范围为3～13kB,系统试验中携带移动节点的UAV以1m/s的速度、15 m的高度在农田上空飞过,飞行过程中与地面中继节点通信并采集农田信息,UAV与地面中继节点的平均通信时长为26 s,仿真和试验表明,基于UAV的三层架构农田信息采集无线传感器网络很好地满足了南方地区农田信息数据采集和监控的生命周期长、传输数据可靠、覆盖面积广的要求。     

钾肥生产原卤井无线传感器网络监测系统

针对钾肥生产中原卤井位置分散、人工巡检不及时、工作环境恶劣和采卤泵故障率高的现状,设计了基于无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的钾肥生产原卤井监测系统。系统包括集成CC2530和传感器构成的采集终端,结合ZigBee与GPRS技术完成数据汇总和远距离传输的汇聚终端和利用PHP与My Sql开发的用于数据接收、存储、显示,管理和决策支持的远程管理系统。系统测试表明监测系统能够可靠地监测采卤井,准确地反映采卤泵运行状态和采卤井液位。可靠性测试表明传感器节点有13.5个月的有效生存时间;在30 m通信范围内,发射功率大于1 d Bm时,节点丢包率小于3.6%,具有较高的通信可靠性。     

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.     

基于ZigBee的节能型水产养殖环境监测系统

该文基于ZigBee无线传感器网络技术,设计了一种节能型水产养殖环境监测系统,用于实时监测水的温度、pH值、溶解氧浓度和浊度等参数。系统采用CC2530为核心处理器设计无线传感器节点;运用开源的Z-stack协议栈开发了节点应用程序,提高了系统的稳定性和可靠性;使用9 V锂电池为无线传感器节点供电,实现了系统的无线化;采用C/S和B/S混合编程模式开发了简单直观的本地用户监测界面和远程监测网站,实现了系统的本地监测和远程监测;采用分时、分区供电的方式和数据融合技术延长了节点的生存时间。该文介绍了系统软硬件设计方法,并重点阐述了软件和硬件的节能策略。实验室测试表明,采用方案4（传感器不一直工作,数据全部发送）,节点数据采集周期为10 min,节点能正常工作94 d,实际系统上线时,节点数据采集周期为30 min,节点预计能正常工作280 d左右;运用节能策略后,节点寿命延长了1倍。在甘肃省某虹鳟鱼养殖基地进行了实地测试,路由节点剩余能量约占总能量的47%,终端节点剩余能量约占总能量的33%,路由节点能量消耗较快,距离汇聚节点最近的16号路由节点的寿命预估只有134 d。结果表明该系统具有功耗低、运行稳定、网络寿命长等优点,能实现水产养殖环境的实时监测,具有很好的市场前景和推广价值。     

无线传感器网络作物水分状况监测系统的上位机软件开发

该文在Microsoft Visual C++ 6.0和National Instruments LabVIEW 8.6等环境下,开发了WSN-CWSM系统的上位机软件。该上位机软件由后台管理软件和数据管理软件2个模块组成。后台管理软件由数据库、数据处理引擎、图形用户界面和后台组件4个子模块组成;数据管理软件由参数设置、数据采集、数据处理、控制输出和数据管理5个子模块组成。WSN-CWSM系统上位机软件提供了与Internet的标准接口,集成了传感器节点的校正引擎和传感数据的数据融合机制,所有人机接口采用友好的图形化界面设计。试验结果表明：所开发的上位机软件具有良好的稳定性、完善的功能性和便捷的人机接口等优点,实现了对各种传感数据和系统数据的有效组织与管理。目前,上位机软件能够满足WSN-CWSM系统的应用需求。     

基于规则网格的农田环境监测传感器节点部署方法

为了实现农田环境监测传感器网络节点合理布局,在分析应用需求基础上,提出基于采样间距rs和节点通信范围rc进行节点部署。设计了等边三角形、正方形、正六边形规则网格的系统节点部署和系统随机节点部署2种方法,并分别给出了2种方法中3种规则网格单元边长最大值的求解方法。此外,通过比较部署成本、连通性等指标探讨了最佳规则网格节点部署方案的选取原则,为农田环境监测应用中传感器节点的合理布局规划提供理论依据。     

基于无线传感网络的规模化水产养殖智能监控系统

为了解决规模化水产养殖中有线监控系统带来的不利影响,并能实现对环境因子的准确测量与控制,该文介绍了一种基于无线传感网的智能监控系统在规模化水产养殖中的应用。系统利用对协议栈进行小幅的修改,完成了人工设置每个养殖池为一个簇,并通过适当修改路由协议,将自动选择簇头的工作变为人工设置固定簇头,大幅减少节点本身的计算工作,从而实现节能目的。控制器利用模糊控制与神经网络相结合的算法对数据进行处理分析,实现闭环控制。结果表明,系统内数据通信通畅,温度误差在±0.5℃范围内,溶氧量误差在±0.3 mg/L范围内,pH值误差在±0.3范围内。各养殖关键环境因子均满足控制精度,达到了设计要求,能够满足规模水产养殖智能化的需要。     

基于低功耗传输方法的设施花卉环境监测系统

为了降低现有设施环境监测系统中传感节点的能耗,延长无线传感网络的生存周期,该文提出了节点动态组包主动传输和多种环境变量加权控制传输2种低功耗机制,减少了大量重复冗余数据的传输,并实现了基于Zigbee的设施花卉环境监测及其低功耗传输系统。节点以CC2430芯片为核心,并根据影响花卉生长的环境参数,同时装载SHT10温湿度传感器、BH1750FVI光照传感器以及COZIR二氧化碳传感器,因此节点可同时采集传输多种环境参数,降低了硬件成本。在南农大园艺试验基地进行组网测试,试验结果表明,系统比传统周期传输节点(周期1min)的能耗减少85.97%,测量精度在98.5%以上,网络平均丢包率为0.84%,满足了对设施花卉环境的有效监测及低功耗传输的要求。     

山地果园开沟机倾斜螺旋式开沟部件设计与优化

为缓解中国山地果园开沟施肥作业中,可用开沟机型短缺、已有开沟机型普遍存在开沟功耗高、开沟稳定性差的问题,该文设计并优化了山地果园开沟机倾斜螺旋式开沟部件,进行了直刃刀、曲刃刀与齿形刀对比试验和齿形刀开沟刀片结构参数优化仿真试验。为验证优化效果及分析作业参数对开沟功耗的影响,进行了开沟作业参数对开沟功耗影响试验。试验结果表明:开沟功耗方面曲刃刀与齿形刀较优且差异不大,直刃刀较差;开沟沟深稳定性方面3者比较接近。利用响应面分析方法和EDEM软件建立了齿形刀结构参数优化仿真模型,仿真结果表明:对开沟功耗影响显著顺序为折弯角刃角安装角齿形。优化后结构参数为安装角4.5?,折弯角49?,刃角21?,原齿倍数1.25,对应开沟功耗为9.73kW。对开沟功耗影响显著顺序为沟深前进速度开沟转速;转速为566r/min时,开沟功耗较低。优化后开沟功耗降低12.80%,沟深稳定性系数提高1.18%。对比现有开沟机,开沟功耗降低22.22%,沟深稳定性系数提高7.2%～8.5%。研究结果可为山地果园开沟机开沟部件结构设计和开沟刀片结构参数优化提供参考。     

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。     

山地果园中低功耗无线滴灌控制装置设计与试验

针对山地果园布线困难,而大面积滴灌需要分区控制并集中管理的需求,构建了低成本、低功耗、能满足定时分区灌溉与集中管理需求的小型无线滴灌控制装置。装置采用无线通信方式,硬件选用低功耗微控制器与双稳态电磁阀,系统软件采用基于CC1100无线唤醒机制的低功耗间同步通信算法,具有避免信道拥塞的特点。试验表明,输入电压9 V时,控制系统静态电流为400 mA、无线唤醒工作电流为19 mA、工作周期内平均电流为439 mA;1节鹏辉450 mAh的AA电池可供系统至少可工作38 d;果园内RSSI信号衰减测试表明通信距离超过60 m,最高平均丢包率为23%;有遮挡的环境中数据丢包率将大于无遮挡环境,但接收信号强度相差不大;在果园环境中尝试使用电力线载波适配器、大功率WiFi无线网桥、GPRS DTU 3种远距离通信模块建立总控制器与远程监控端的数据链路,链路试验表明,GPRS DTU与大功率WiFi网桥均能成功建立通信链路。相比之下,GPRS有强的适应性;采用无线控制系统,系统准时开启电磁阀,开启时间误差小于5 min,土壤含水率变化呈现快速上升后缓慢下降的变化,灌溉区域的土壤含水率保持13%以上,可应用于岭南绝大部分山地果园。解决了控制装置的布线工程困难,实现可远程传输滴灌信息和监测滴灌状态,并可进一步实现分区控制与轮灌控制。     

山地果园单轨运输机超声波避障系统的设计与试验

为避免山地果园单轨运输机运行时碰到前方穿越的移动物体或轨道上的静止障碍物,提高运输机工作的安全性和稳定性,研制了山地果园单轨运输机超声波避障系统。该系统由核心微处理器、超声波探头及收发电路、电源模块、无线通信模块和按键等组成。以规则物块、不规则小石块等作为轨道上的障碍物,以树枝、侧枝较多的盆栽柑橘树作为轨道旁的非障碍物,将超声波探头安装在3个不同位置,使运输机工作在慢、中、快3个不同的速度,测试了避障系统的工作性能。试验结果表明,在一定条件下,避障系统能识别轨道上的障碍物和轨道旁的非障碍物。该研究提升了单轨运输机在轨道上无人驾驶运行的安全性和可靠性。     

柑橘园低功耗滴灌控制器的设计与实现

为提高偏远山区柑橘园滴灌的管理效率,降低劳力投入,节约生产成本,利用低功耗设计技术研制了一个以干电池供电的滴灌控制器。控制器主要由ATMega88V单片机、电源电路、人机交互单元、双稳态脉冲电磁阀及其驱动电路组成。以可调数字电源提供0～10 V直流电压,分别在0～0.9 MPa管道水压条件下,测试了控制器的耗电情况,试验结果表明,控制器能驱动电磁阀开关动作的最低工作电压为3 V,电磁阀开关动作的电流随电压的升高而增大,水压条件对电磁阀开关动作电流影响不显著,当电压＞5 V时控制器的静态电流为50 μA,当电压从5 V下降至3 V的过程中,静态电流逐渐上升至最大值149.2 μA。采用型号为6LR61的9 V碱性电池作为电源,并使控制器每休眠5 s则驱动电磁阀开或关动作一次,以测试控制器连续工作于大负载下时的电池使用寿命,试验结果表明,电池可工作364 h,共驱动电磁阀开关动作272 160次。根据试验结果估算出,一节额定容量为2 500?mA·h的9 V电池可使控制器工作5 a以上。该控制器成本低,操作简单,适合于中小面积柑橘园的滴灌自动控制。     

能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计

针对果园中所存在的无线通信障碍与电池更换困难问题,该文设计了一款适合果园信息采集的无线传感器网络(wirelesssensor network,WSN)节点。节点以MSP430F149为核心,nRF905射频芯片及其外围电路作为无线通信模块,CN3058和HT6292智能充电芯片及其外围电路作为太阳能充电模块,电机驱动芯片ULN2003及水平、垂直电机作为太阳追踪模块,DHT22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,并以该硬件平台编写了通信协议、应用程序和时间同步算法。分析、测试了节点的功耗、通信距离以及太阳能充电时间,在空旷地带有效通信距离达到202m;主电路电池由3V充电至3.6V所需时间为580min,传感器电路电池由5.6V充电至7.2V所需时间为283min;在无太阳能充电且节点系统工作周期为30min情况下,主电路生命周期理论值为497d,传感器电路生命周期理论值为147d。组网试验结果表明:网络丢包率小于1.5%,能够满足果园信息采集以及能量自给的应用要求。     

Gaseous losses of fertilizer nitrogen from a citrus orchard in the red soil hilly region of Southeast China

The gaseous losses of fertilizer nitrogen (N) applied to agroecosystems are a major contributor to a host of environmental problems, inefficient production systems, and decreased N-use efficiency. These losses lead to the wastage of resources, increasing the greenhouse effect and harming human health. The red soil hilly region of Southeast China houses the biggest orchard area of the world, and nitrogen fertilizers are usually heavily applied to the orchard systems in China. Therefore, this study aimed to measure the gaseous losses of the fertilizer N by ammonia (NH₃) volatilization and denitrification losses using the venting method and acetylene inhibition method respectively, and to assess the potential environmental risk of NH₃ and nitrous oxide (N₂O) emission from this orchard system based on the recent orchard management practices. An experiment was conducted in an Ougan citrus (Citrus reticulata Blanco ‘Suavissima’) orchard in the red soil hilly region of Southeast China. Three fertilization treatments, including the control (no N fertilizer, CK), poultry manure (at a rate of 6.3 t/ha, OM), and conventional fertilization (OM 6.3 t/ha + chemical fertilizer 393 kg N/ha, CF), were used. In all treatments, the fertilizers were incorporated into the soil after application. The test results, which were continuously determined within one year, indicated that the NH₃ volatilization losses accounted for 4.5% of the OM nitrogen (OM-N) and 2.9% of the CF nitrogen (CF-N), whereas the denitrification N losses accounted for 2.1% of the OM-N and 2.9% of the CF-N. Overall, the total gaseous N losses (including NH₃ volatilization losses and denitrification N losses) were 5.8% in the CF treatment. A relatively higher N₂O flux, accounting for 1.8% of the CF-N, emitted from the CF treatment.     

农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计

为解决传统土壤含水率监测中所存在的监测区域面积小、采样率低等问题,设计和开发了基于无线传感器网络技术的土壤含水率监测系统,包括10个传感器节点,1个簇首和1个基站节点,可按任意时间间隔全自动地采集、处理、传输和存储地表以下4个不同土层土壤含水率变化状况;各类节点采用TinyOS操作系统,节点间通信遵循ZigBee协议;含水率测量采用EC-5传感器;太阳能供电模块的供电能力满足传感器节点及簇首的能耗需求;进行了数据包传输率试验,10个传感器节点中有7个的数据包正确传输率高于90%,1个节点的数据包正确传输率为89.2%,2个节点的传输率低于70%。造成2个节点数据包传输率较低的主要原因是太阳能供电电路制作,通过更换电路板解决了该问题。试验结果表明,系统能够实现稳定的数据传输,适合农田土壤含水率的实时监测。