专利名称：基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明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方法及装置。
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 Stuntebeck 2006)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。

发明内容
本发明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方法，该方法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。本发明的另一个目的在于提供一种实现上述方法的基于无线地下传感器网络的土壤水分时域测量装置。本发明的目的通过以下的技术方案实现基于无线地下传感器网络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0
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方法，其特征在于，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。
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方法，其特征在于，包括以下步骤 (1)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0 其中0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固定为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。
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方法，其特征在于，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d，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；所述 0. lm〈h〈2m, lm〈d〈5m。
4.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方法，其特征在于，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。
5.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方法，其特征在于，预先计算在不同t、d情况下土壤含水量Cj5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，即能通过查表的形式得到土壤含水量。
6.一种基于权利要求I所述方法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，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。
7.根据权利要求6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。
8.根据权利要求6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；所述计时单元采用TDC-GP2时间数字转换芯片。
9.根据权利要求6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。
10.根据权利要求6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。
全文摘要
本发明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方法及装置，该方法是通过测定固定距离下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。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。本发明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G01N22/04GK102749338SQ20121025049
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月19日 优先权日2012年7月19日
发明者刘永鑫, 岳学军, 徐兴, 林涛, 洪添胜, 王叶夫, 蔡坤, 黄双萍 申请人:华南农业大学