专利名称：基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及土壤含水量测量领域，特别涉及一种基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置。
背景技术：
土壤含水量信息的准确测定对满足日益发展的土壤科学研究和现代化精准农业对大量、快速、准确的农田区域范围土壤水分动态信息的需求、提高我国农业灌溉用水效率、确保农业可持续发展、缓解我国用水危机具有重要意义。 传统的土壤水分传感器存在小尺度点测量的问题，无法有效实现较大范围农田区域土壤含水量信息的有效获取，采用无线传感器网络结合土壤水分传感器的方式可以实现农田土壤区域土壤水分的测量，但其含水量监测的本质还是基于土壤水分传感器的点测量技术，点测量范围之外的土壤含水量信息需要采用估计的方式来得到，因此与实际情况还存在一定的差异，而且由于需要使用大量的土壤水分传感器，部署成本比较昂贵。目前用于土壤环境信息监测的无线传感器网络多属于地上无线传感器网络系统，通常是采用有线的方式将传感器连接到地面上的无线收发设备来进行工作的，这些暴露在地面上的设备不但影响耕作，无线节点本身可能也会因为地理、气象等自然因素使得自身的无线发射功能受到严重影响。基于这些弊端，一种无线地下传感器网络(wireless underground sensornetworks, WUSN)为地下监测提供了新的手段，成为土壤环境信息监测研究的新方向。无线地下传感器网络是指大部分传感器节点位于地下土壤中，以无线电作为通信媒质的一种全新的传感器网络，由美国佐治亚理工学院宽带无线通信(BroadbandWireless Networks, BffN)实验室(Akyildiz and Stuntebeck2006)于 2006 年率先提出。与现有的地上无线传感器网络相比，无线地下传感器网络具有隐藏性强，易于布设，数据及时，可靠性强，覆盖范围大，监测效果均匀，容易升级等特点。因此，如何在无线地下传感器网络基础上，设计出一种成本较低，可靠性较高的土壤水分测量方法和装置具有极高的理论和实际意义。
实用新型内容本实用新型的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，该装置无需使用大量的土壤水分传感器，实现了土壤含水量信息的有效测定，具有低成本测定、信息化采集的优势。本实用新型基于以下的土壤水分时域测量方法，由若干个部署在土壤里面的无线地下节点组成无线地下传感器网络，通过测定无线地下节点之间电磁波信号的传播时间得到土壤含水量信息。包括以下步骤(I)将无线地下节点根据预先设定的无线地下传感器网络部署图部署在待测的土壤里面，组成无线地下传感器网络；(2)无线地下传感器网络选择两个未用来检测含水量、且相互距离固定为d的无线地下节点，即一个无线地下节点对，组成一个测量对，并将其中一个设定为测量主节点，另外一个设定为测量副节点；主节点和副节点均设有计时模块；(3)主节点和副节点之间相互发送电磁波信号，在信号传递过程中主节点和副节点中的计时模块分别记录下各自发射和接收信号时的时间，进而得到电磁波在二者之间往返传播的时间；(4)利用下式计算得到土壤含水量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为土壤含水量，单位为％，t为测量主节点和测量副节点之间的电磁波往返传播时间，单位为秒，d为测量主节点和测量副节点之间的距离，单位为米；(5)判断无线地下传感器网络中是否所有相互距离为d的无线地下节点对均已用来测量土壤含水量，如否则跳回到步骤(2)，如是则结束土壤含水量测量工作。具体的，所述步骤(I)中，预先设定的无线地下传感器网络部署图具体是无线地下节点在土壤里面部署深度固定为h，被用来测量土壤含水量的两个无线地下节点之间的距离固定为山组成一个无线地下节点对，该网络拓扑图在埋设前由工作人员规划好并预先存进无线地下节点处理器单元的存储器里。更进一步的，所述O. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m。优选的，在无线地下节点组成一个测量对时，先使主节点、副节点处于待机状态，然后如步骤(3)所述进入如下操作(3-1)主节点发送电磁波到副节点，同时主节点计时单元开始计时，副节点接收到电磁波的同时，副节点计时单元开始计时；(3-2)副节点中的处理器判断主节点所发送的信号无误后，发送电磁波到主节点，同时副节点计时单元停止计时；主节点接收到副节点发送过来的电磁波信号后，主节点计时单元停止计时；(3-3)主节点计时结果减去副节点计时结果即为电磁波在二者之间往返传播的时间。优选的，为了节约处理时间，避免每次测量后都需要采用步骤(4)中公式进行复杂的计算，可以预先计算在不同t、d情况下土壤含水量Φ的对应值，然后以表格形式存储在无线地下节点的存储器内，在步骤(4)得到L后，即可通过查表的形式得到土壤含水量。基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，包括若干个部署在土壤里面的无线地下节点，无线地下节点包括供电单元、处理器单元、无线模块、天线、计时单元，所述供电单元分别与处理器单元、无线模块，计时单元相连接，所述处理器单元分别和无线模块、计时单元相连接，所述天线和无线模块相连接，所述计时单元分别和处理器单元、无线模块相连接，所述无线地下节点通过测定相互距离固定的无线地下节点对之间电磁波信号的传播时间得到土壤含水量信息。优选的，所述供电单元由电池及其LDO稳压电路组成，用于对无线地下节点其他单元进行供电。[0026]优选的，所述处理器单元采用STM32单片机。采用这种单片机功耗低。优选的，所述无线模块采用具有无线收发功能的无线芯片，优选为CCllOl无线芯片，可工作在 315MHZ、433MHZ、868MHZ 以及 915MHZ。优选的，所述计时单元采用TDC-GP2时间数字转换芯片。这种芯片具有高精度计时功能，采用高精度时间数字转换技术实现时间测量。优选的，所述天线采用螺旋天线。应用中，天线与无线模块相匹配，用于发送和接收无线电磁波信号。本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果I、本实用新型可有效监测和评估无线地下节点之间土壤区域的含水量信息，无需使用土壤水分传感器，大大降低了土壤含水量测量成本。 2、本实用新型中测量得到的土壤含水量信息可通过无线地下节点发送出去，实现了土壤含水量测定信息的实时传输和有效采集，提高了土壤含水量测定的自动化水平。3、本实用新型无线地下传感器网络耗电小，体积小，安全性好，隐蔽性好，可满足土壤含水量测定长期工作部署的要求。
图I是本实用新型的无线地下传感器网络部署图。图2是图I所示无线地下节点的具体构成示意图。图3是本实用新型所采用方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。实施例I如图I所示，无线地下传感器网络包括多个无线地下节点，这些无线地下节点按照图I所示被分散部署于被测土壤中，用来检测含水量、且相互距离固定为d的两个无线地下节点组成一个无线地下节点对，无线地下节点对之间的距离d固定为3米，深度h为I米。在实际工作过程中，各个无线地下节点之间的距离和深度可以根据实际场地的土壤含水量测量需要在O. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m范围内进行相应调整。如图2所示，无线地下节点包括供电单元、处理器单元、无线模块、天线和计时单元。供电单元用于对无线地下节点的供电，本实施例中采用磷酸铁锂电池供电，其工作电压在3. 2V^3. 7V之间，并使用AMS 1117-3. 3V LDO芯片进行稳压。无线模块具备无线电磁波信号的收发功能，采用CCllOl无线芯片，通过配置内部寄存器可灵活工作于315MHZ、433MHZ、868MHZ以及915MHZ，并可发送中断脉冲给计时单元。天线直接与无线模块相连，本实施例中选用螺旋天线，用于提高无线电磁波信号收发灵敏度。计时模块与处理器单元、无线模块单元均有连接，具备高精度计时功能，本实施例中采用TDC-GP2时间数字转换芯片，测量精度可达65皮秒，并可接收处理器单元和无线模块发送过来的驱动信号。处理器单元采用STM32单片机，具备高速的信号处理能力，可进行无线通信程序处理，进行土壤含水量测量和计算，并驱动计时单元、无线模块进行工作。预先设定的无线地下传感器网络部署图在埋设前由工作人员规划好并预先存进无线地下节点处理器单元的存储器里。由上述装置实现的土壤含水量时域测量方法如图3所示，包括如下步骤(I)将无线地下传感器网络部署在土壤环境中，并记录下无线地下节点的埋设深度h，埋设时无线地下节点对相互之间的距离d。(2)无线地下传感器网络启动并进入休眠状态。(3)无线地下传感器网络判断是否已休眠I小时，如未到则继续休眠，如到则启动
土壤含水量测量工作。(4)无线地下传感器网络随机选择两个未用来检测含水量、且相互距离固定为d的无线地下节点进行土壤含水量测量，并分别配置为测量主节点和测量副节点。 (5)测量主节点和副节点均发送启动脉冲给计时模块，让计时模块处于待机状态。(6)测量主节点发送无线信号给测量副节点，同时启动主节点计时模块开始计时。(7)测量副节点一直处于等待接收状态，一旦接收到主节点信号即启动副节点计时模块开始计时。(8)测量副节点发送数据给测量主节点，并停止副节点计时模块计时。(9)测量主节点一直处于等待接收状态，一旦接收到副节点信号即停止主节点信号计时。(10)测量主节点提取主节点计时模块的计时数据tl。(11)测量主节点发送“计时信息请求”指令给测量副节点。(12)测量副节点一直处于等待接收状态，接收主节点指令。(13)测量副节点提取副节点计时模块的计时数据t2。(14)测量主节点一直处于等待接收状态，并接收副节点数据t2。(15)测量主节点将节点间的距离参数d，电磁波往返传播时间t=tl_t2代入公式计算得到深度为h处的土壤含水量信息并上传
- 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为土壤含水量，单位为％，t为测量主节点和测量副节点之间的电磁波往返传播时间，单位为秒，d为测量主节点和测量副节点之间的距离，单位为米。(16)无线地下传感器网络判断是否所有相互距离固定为d的“无线地下节点对”均已用于测量土壤含水量？如果判断结果为否则跳到步骤(4)，如判断结果为是则结束本次土壤含水量测量工作，系统进入休眠状态。上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，包括若干个部署在土壤里面的无线地下节点，无线地下节点包括供电单元、处理器单元、无线模块、天线、计时单元，所述供电单元分别与处理器单元、无线模块，计时单元相连接，所述处理器单元分别和无线模块、计时单元相连接，所述天线和无线模块相连接，所述计时单元分别和处理器单元、无线模块相连接，所述无线地下节点用于通过测定相互距离固定的无线地下节点对之间电磁波信号的传播时间得到土壤含水量信息。
2.根据权利要求I所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，所述供电单元由电池及其LDO稳压电路组成，用于对无线地下节点其他单元进行供电。
3.根据权利要求2所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，所述处理器单元采用STM32单片机。
4.根据权利要求3所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，所述天线采用螺旋天线。
5.根据权利要求4所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，所述无线模块采用CCllOl无线芯片，能工作在315MHZ、433MHZ、868MHZ以及915MHZ。
6.根据权利要求5所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，其特征在于，所述计时单元采用TDC-GP2时间数字转换芯片。
专利摘要本实用新型公开了一种基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置，该装置包括若干个部署在土壤里面的无线地下节点，无线地下节点包括供电单元、处理器单元、无线模块、天线、计时单元，供电单元分别与处理器单元、无线模块，计时单元相连接，处理器单元分别和无线模块、计时单元相连接，天线和无线模块相连接，计时单元分别和处理器单元、无线模块相连接，无线地下节点用于通过测定相互距离固定的无线地下节点对之间电磁波信号的传播时间得到土壤含水量信息。本实用新型无需使用土壤水分传感器，大大降低了土壤含水量测量成本，且无线地下传感器网络耗电小，体积小，安全性好，隐蔽性好。
文档编号G01N22/04GK202710487SQ201220352428
公开日2013年1月30日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者徐兴, 洪添胜, 蔡坤, 岳学军, 刘永鑫, 王叶夫, 黄双萍, 林涛 申请人:华南农业大学