便攜式無線墑情監(jiān)測儀在柑橘園墑情監(jiān)測的應(yīng)用

1、托普儀器致力于中國農(nóng)業(yè)儀器的發(fā)展 便攜式無線墑情監(jiān)測儀在柑橘園墑情監(jiān)測的應(yīng)用摘要：針對(duì)傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)測手段存在的監(jiān)測范圍小、采樣率低等不足，而采用bws-100的便攜式無線墑情監(jiān)測儀就可以解決這些問題。網(wǎng)絡(luò)和j2ee三層bs架構(gòu)技術(shù)的柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用具有zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸功能的xbeepro模塊和ech20犁土壤水分傳感器ec5為核心組成傳感器節(jié)點(diǎn)，部署于柑橘園的各個(gè)采集點(diǎn)對(duì)土壤墑情信息進(jìn)行采集、預(yù)處理和無線發(fā)送等j二作，通過基于arm9的嵌入式嘲關(guān)與internet網(wǎng)絡(luò)連接，采集數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程web主機(jī)，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理和系統(tǒng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)

2、控。進(jìn)行了不同距離的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的耗時(shí)和數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率試驗(yàn)，在1 km以內(nèi)耗時(shí)低于100 ms，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率高于98。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸，適合柑橘園土壤墑情的遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)控。關(guān)鍵詞：土壤墑情，監(jiān)控，設(shè)計(jì)，zigbee技術(shù)，柑橘園0引言柑橘是世界第一大水果，全世界的柑橘種植面積約為74萬hm2，全球有135個(gè)國家和地區(qū)生產(chǎn)柑橘，柑橘也是世界第三大貿(mào)易農(nóng)產(chǎn)品。柑橘在中國有著悠久的栽培歷史，中國柑橘栽植面積居世界首位，年產(chǎn)量居世界第一位(the 11m international citrus congress，2008)。近年來在發(fā)展柑橘優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的過程中，柑橘

3、生產(chǎn)中季節(jié)性干旱影響產(chǎn)量和品質(zhì)的問題越來越突出。柑橘園土壤含水率的多少，直接影響著果樹新梢和果實(shí)的生長【l】。通過調(diào)節(jié)土壤水分對(duì)溫州蜜柑產(chǎn)量及果實(shí)品質(zhì)影響的研究表明，土壤含水率與柑橘的產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)，且當(dāng)土壤含水率是土壤最大含水率的75左右時(shí)最利于柑橘果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。因此，迫切需要一種合適的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)柑橘園土壤墑情信息的快速和有效獲取，以便在高溫干旱少雨期利用珍貴的有限水資源對(duì)柑橘進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉，滿足柑橘對(duì)水的生理需求，從而確保柑橘的穩(wěn)產(chǎn)增收。土壤墑情，也稱土壤水分，是指在特定的土壤中所含水分多少的狀況。它是十壤自身的重要組成物質(zhì)之一，也是構(gòu)成土壤肥力的一個(gè)重要因素，更是農(nóng)田作物

4、生長生育的基本條件【2】。如何實(shí)現(xiàn)土壤墑情信息的快速和有效獲取，以及如何實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)牡统杀竞透呖煽啃允乾F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程中的一個(gè)重要研究內(nèi)容，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境和生產(chǎn)過程的特殊性，使得土壤墑情信息獲取具有很大困難。由于傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測手段的監(jiān)測范圍小、人工依賴性大、監(jiān)測困難等，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的限制。近年來，中國科研人員雖然開發(fā)成功了一些土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，然而從應(yīng)用現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)還存在明顯不足i孓71。大多數(shù)系統(tǒng)采用rs232總線、can總線等有線通信技術(shù)，雖然具有設(shè)備互操作性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于采集點(diǎn)分散、所使用的線纜成本較高，而且不易擴(kuò)展、維修困難；部分系統(tǒng)采用如

5、藍(lán)牙、gsm等無線通信技術(shù)，具有速度快、運(yùn)行可靠、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，但功耗大、成本高等不足也限制了這些技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。zigbee技術(shù)是一種新興的低功耗、低速率和低成本的無線通信技術(shù)，主要用于近距離無線通信。針對(duì)現(xiàn)有的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，為此本研究把傳感器檢測技術(shù)、zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與和計(jì)算機(jī)web應(yīng)用軟件開發(fā)等技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)柑橘園的土壤墑情信息的自動(dòng)采集、無線傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，既滿足了柑橘生產(chǎn)的需要，又解決了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的種種不足和諸多困難。1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)

6、程監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。從邏輯結(jié)構(gòu)上系統(tǒng)可劃分為3個(gè)子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由部署在柑橘園內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些節(jié)點(diǎn)是由采集節(jié)點(diǎn)和一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)組成。采集節(jié)點(diǎn)用于采集柑橘園內(nèi)的土壤墑情信息，以無線通信方式發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，把接收的采集信息傳送到一個(gè)帶有arm核心模塊的網(wǎng)關(guān)，通過intemet網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)把采集信息傳送至遠(yuǎn)程web主機(jī)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理子系統(tǒng)：由sqlserver2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺(tái)和運(yùn)行在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的數(shù)據(jù)分析處理程序組成。該系統(tǒng)接收并處理網(wǎng)關(guān)傳送過來的

7、信息，如屬于合法信息則存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。此外數(shù)據(jù)庫中還存儲(chǔ)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的配置信息、傳感器節(jié)點(diǎn)各種屬性信息和操作人員信息等系統(tǒng)信息。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)：遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)是監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的窗口，由于系統(tǒng)是基于bs架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)不同的人員，從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式(如lan、intemetintranet等)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作訪問，有效地保護(hù)了數(shù)據(jù)平臺(tái)和管理訪問權(quán)限。授權(quán)用戶通過客戶端瀏覽器臀錄系統(tǒng)后能夠讀取數(shù)據(jù)庫的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)土壤墑情采集信息的分析、查詢、下載等功能操作或者數(shù)據(jù)圖形繪制等圖形顯示功能操作，還可以對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，通

8、過下達(dá)指令使傳感器節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)的任務(wù)。12系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)無線傳感器。9絡(luò)的硬件系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成，傳感器節(jié)點(diǎn)的組成可以分為與應(yīng)用相對(duì)獨(dú)立和與應(yīng)用相關(guān)兩部分，前一部分又稱為處理器平臺(tái)，包括計(jì)算部件、存儲(chǔ)部件、通信部件和電源部件等：后一部分包括傳感部件、模一數(shù)轉(zhuǎn)換(adc)部件等。處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)所采用的處理器模塊為digi公司為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)推出的xbeepro模塊。xbeepro模塊是與zigbeeieee 802154兼容的解決方案，可以滿足低成本低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。xbeepro模塊功耗極低，發(fā)送電流僅為45 ma。而且支持睡

9、眠模式，睡眠電流可低于10口a。工作頻率波段在ism 24 ghz，提供數(shù)據(jù)的可靠傳輸。由于設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，xbeepro模塊在通信范圍一i-可以超越標(biāo)準(zhǔn)zigbee模塊23倍，室外rf可視距離高達(dá)1英里(16 km)，這樣可以用更少的設(shè)備覆蓋更大的面積，也就大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。傳感器是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)和前提，是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，它的主要作用是負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域的信息并完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，它的準(zhǔn)確性和合理性對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能有重要影響。對(duì)于傳感器的選用，應(yīng)遵循實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、耐用的原則。以土壤水分測量傳感器為例，綜合整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，選擇了美國deca

10、gon公司研制的ech20型土壤水分傳感器ec5。ec5電路受溫度的變化影響較小，傳感器外層物質(zhì)受鹽堿度的影響較小，便于掩埋土壤的不同的深度，并且具有0002 m3m3的高分辨率，可以長時(shí)間的測量，具體輸出電壓與土壤含水率成比例。ec5與其他同類土壤水分傳感器相比，電壓要求很低，在休眠狀態(tài)不消耗任何能量，要完成1次測量，只需向其提供幅值為25 v，電流為10 ma，持續(xù)時(shí)間大于10 ms的脈沖。這樣可以降低系統(tǒng)的功耗，延長系統(tǒng)的牛命周剃圳。本系統(tǒng)以ec5在柑橘園內(nèi)不同土壤含水率影響下的輸出電壓均值作為傳感器在該含水率水平下的測量值，并對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，確定待測土樣的含水率與其所對(duì)應(yīng)的

11、傳感器輸出值之間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。土壤含水率在本系統(tǒng)采用質(zhì)量含水率，它是指單位質(zhì)量的土壤中水分質(zhì)量的多少，常用符號(hào)如表示。可用式(1)進(jìn)行計(jì)算。1)制作標(biāo)準(zhǔn)土樣。采集柑橘園內(nèi)一系列的的待測土樣于鋁盒中，采集區(qū)盡量位于傳感器節(jié)點(diǎn)的部署區(qū)域，然后放入電熱恒溫式鼓風(fēng)干燥箱中烘干。2)根據(jù)將要配置的土樣含水率的要求，將鋁盒進(jìn)行編號(hào)，從l到10，用電子天平稱出不同編號(hào)杯子的質(zhì)量，并進(jìn)行記錄，取一定質(zhì)量的土樣分別放入10個(gè)鋁盒中，對(duì)于每一份樣品，用電子稱稱出樣品的總質(zhì)量，即鋁盒與所裝入的土樣的總質(zhì)量。將稱出的總質(zhì)量減去剛才記錄的相應(yīng)編號(hào)的鋁盒質(zhì)量，求出每個(gè)鋁盒中烘干土的質(zhì)量。用噴水器分別向鋁盒中的土樣行間隔

12、性噴灑一定質(zhì)量(310 g)的水，這樣做的原因是可以人為的造成不同質(zhì)量含水率的土壤樣本。對(duì)于每一份樣品，用電子稱稱出樣品的總質(zhì)量，即鋁盒、土和所加水的總質(zhì)量。利用前面記錄的相應(yīng)編號(hào)的鋁盒和烘干土質(zhì)量，相減求出所加水的質(zhì)量。3)用ec5傳感器分別對(duì)待測七樣進(jìn)行測鼉，每隔5 s測一個(gè)值，連續(xù)測10個(gè)值，并取其均值作為攝終測量值。通過excel軟件對(duì)最終測量值進(jìn)行回歸分析，計(jì)算出標(biāo)定函數(shù)關(guān)系方程式如圖2所示。14節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的通信除了保證無線通信模塊的正常工作外，還應(yīng)該具備一套穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議。系統(tǒng)中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)具有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的id。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)間的通信

13、符合zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在zigbee api(應(yīng)用程序編程接lj)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上結(jié)合柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)加入了系統(tǒng)自定義的控制信息等內(nèi)容，定義的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表1所示。表1中，幀類型表示數(shù)據(jù)幀類型，0表示傳感器土壤含水率測量，l表示節(jié)點(diǎn)如能量、發(fā)射功率等其他信息。系統(tǒng)中設(shè)定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)id為0xff表示傳感器節(jié)點(diǎn)把自己的測量結(jié)果都發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)傳送到網(wǎng)關(guān)，通過internet網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)把采集信息傳送至遠(yuǎn)程web主機(jī)。數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和用以驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，表示為0xff一幀類型字段開始的所有字節(jié)和。15網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)就是能把兩個(gè)使用不同協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)段連接在一起的設(shè)備，

14、它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換、不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)和處理等霞要操作，成為連接網(wǎng)絡(luò)間不可缺少的紐帶10-111。在柑橘園七壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的橋梁，是整個(gè)系統(tǒng)中“承上啟下”的關(guān)鍵部分，因此設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)是系統(tǒng)的的重要組成部分。本系統(tǒng)中配置了一個(gè)代理服務(wù)器來連接內(nèi)部無線傳感網(wǎng)絡(luò)和外部intemet網(wǎng)絡(luò)。代理服務(wù)器選用了一款基于samsung$3c2440a內(nèi)核的嵌入式開發(fā)平臺(tái)廣嵌gec2410，如圖3。1)網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)模塊與匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸主要通過arm中斷來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)把采集的土壤墑情信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，引發(fā)網(wǎng)關(guān)的arm中斷，

15、通過編寫的中斷響應(yīng)程序網(wǎng)關(guān)把匯聚節(jié)點(diǎn)傳送過來的采集信息進(jìn)行解析處理。2)網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)?？紤]到對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程主機(jī)之問的數(shù)據(jù)傳輸采用的是面向連接的客戶機(jī)一服務(wù)器模型，通過編程調(diào)用嵌入式liunx下的socket接口編程函數(shù)來實(shí)現(xiàn)建立起兩個(gè)具有唯一ip地址的客戶端(網(wǎng)關(guān))和服務(wù)器端(遠(yuǎn)程主機(jī))的socket網(wǎng)絡(luò)連接，并通過tcpip協(xié)議網(wǎng)關(guān)把接收的采集信息傳送至遠(yuǎn)稃毛機(jī)。3)tslib觸摸屏應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在開源觸摸屏支持庫tslib基礎(chǔ)上。設(shè)計(jì)開發(fā)了觸摸屏界面應(yīng)用系統(tǒng)。操作人員可以通過該應(yīng)用系統(tǒng)在觸摸屏選擇相應(yīng)的功能來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。如在觸摸屏上點(diǎn)擊復(fù)位按鈕可以實(shí)

16、現(xiàn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)復(fù)位，此外觸摸屏界面應(yīng)用系統(tǒng)還提供網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)或遠(yuǎn)程主機(jī)數(shù)據(jù)通信過程中的數(shù)據(jù)顯示功能。16遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中起著核心的作用，本系統(tǒng)采用基于j2ee(java2 platformenterpriseedition)的三層bs架構(gòu)，該應(yīng)用架構(gòu)還集成了j2ee最新發(fā)展的成熟框架技術(shù)，即struts應(yīng)用框架技術(shù)和hibernate應(yīng)用框架技術(shù)，為系統(tǒng)在大負(fù)荷量和長時(shí)間工作狀態(tài)f的穩(wěn)定性提供了良好的保證，其軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。1)節(jié)點(diǎn)管理模塊。節(jié)點(diǎn)管理模塊豐要是對(duì)柑橘園內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。包括記錄傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的能量狀況、節(jié)點(diǎn)id和發(fā)射

17、功率等信息。2)用戶管理模塊。用戶管理模塊是系統(tǒng)安全保障的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，用戶登陸是所有用戶對(duì)系統(tǒng)訪問操作的必經(jīng)通道，它負(fù)責(zé)用戶合法性判斷、用戶權(quán)限分配，系統(tǒng)采用了基于角色的權(quán)限管理，將不同的用戶劃分為不同的角色，用戶在對(duì)系統(tǒng)資源訪問操作之前，必須經(jīng)過嚴(yán)格的權(quán)限校核過程，使得用戶只能在其權(quán)限范圍內(nèi)，調(diào)用特定的操作及訪問特定的數(shù)據(jù)資源。3)數(shù)據(jù)管理模塊。為方便操作人員對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集信息進(jìn)行分析處理，數(shù)據(jù)管理模塊提供了強(qiáng)人的數(shù)據(jù)管理功能。包括對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、打印、備份與統(tǒng)計(jì)等操作，采用動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線圖方式和報(bào)表方式顯示監(jiān)測指標(biāo)的變化情況。數(shù)據(jù)管理模塊主要包括數(shù)據(jù)采集子模塊、數(shù)據(jù)備份子模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模

18、塊等功能模塊組成。4)日志管理模塊。日志是系統(tǒng)對(duì)某些對(duì)象的操作和其操作結(jié)果，每一個(gè)日志文件由很多的事件記錄組成。記錄中包含了一個(gè)時(shí)問戳和一個(gè)消息。由于系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境是在廣闊的無人值守的柑橘園環(huán)境，系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信息、警告信息和一些其他重要的日志信息，日志管理模塊對(duì)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，保障系統(tǒng)安傘也有重要作用。2系統(tǒng)性能測試本系統(tǒng)首先在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按系統(tǒng)的組成部分進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和測試，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行集成測試，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、綜合性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，再到實(shí)際現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)安裝、測試和應(yīng)用。本試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的柑橘園進(jìn)行，通過在柑橘園內(nèi)分別部署10個(gè)與匯聚節(jié)點(diǎn)不同距離的傳感器

19、節(jié)點(diǎn)來采集不同地點(diǎn)的土壤墑情信息，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔設(shè)為60 min，采集信息傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳送至遠(yuǎn)程web主機(jī)。試驗(yàn)中各傳感器節(jié)點(diǎn)每天應(yīng)發(fā)送數(shù)據(jù)包24個(gè)，試驗(yàn)共7 d，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送總數(shù)為24-168個(gè)，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的各傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包來計(jì)算其數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率，用式(2)進(jìn)行計(jì)算由表2可以看出，系統(tǒng)整體運(yùn)行情況良好，工作性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的可靠性。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)距離在800 m以內(nèi)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率為100，數(shù)據(jù)包發(fā)送耗時(shí)也在60iils以內(nèi)，當(dāng)距離超過1 000m，隨著無線通信信號(hào)的衰減，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率下降明顯，發(fā)送數(shù)據(jù)包的耗時(shí)也直線上升。

20、而xbeepro模塊室外rf可視距離理論上可達(dá)l 600 m，實(shí)驗(yàn)與理論效果也基本吻合。由此可見當(dāng)沒有路由節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的距離戍該在1 000 m以內(nèi)才能達(dá)到比較好的試驗(yàn)效果，當(dāng)采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的距離超過l 000 m，應(yīng)該在它們之間部署路由節(jié)點(diǎn)來提高采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究開發(fā)的柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要的意義在于：1)自動(dòng)監(jiān)測。在zigbee api的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集與傳輸子系統(tǒng)。所部署的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠可以快速、自組成一個(gè)獨(dú)立的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的土壤墑情進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測。匯聚節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備把采集節(jié)

21、點(diǎn)發(fā)送過來的采集信息傳送至遠(yuǎn)程web主機(jī)。與傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在簡化設(shè)備安裝布線、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便捷性等方面效果十分顯著，并提高了對(duì)監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測覆蓋面積。2)遠(yuǎn)程監(jiān)控。這也是本系統(tǒng)的主要目標(biāo)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點(diǎn)最終傳送至遠(yuǎn)程web主機(jī)，通過開發(fā)的一整套數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心系統(tǒng)，操作人員通過客戶端瀏覽器就可以從不同的地點(diǎn)，以不同的接入方式(如lan、internetintranet等)登陸web主機(jī)上的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理和系統(tǒng)運(yùn)行的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)和精準(zhǔn)監(jiān)控。3、便攜式無線墑情監(jiān)測儀簡介便攜式無線墑情監(jiān)測儀功能特

22、點(diǎn)：tft觸摸式（5.0英寸）彩屏顯示、操作。儀器所用傳感器測量精度高，響應(yīng)速度快（2秒鐘）。內(nèi)置8.4v-10ah鋰離子電池開機(jī)后2分鐘內(nèi)無操作則自動(dòng)關(guān)機(jī)，節(jié)約電量。一體結(jié)構(gòu)，最深可測量1m深度，無需另配延長桿。主機(jī)可以在屏幕上對(duì)時(shí)間、墑情旱情等級(jí)、作物種類、作物生育期及土壤深度進(jìn)行相應(yīng)的選擇，所采集數(shù)據(jù)可通過無線傳輸上傳到全國墑情監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)時(shí)顯示采集、gps衛(wèi)星定位、保存、查看數(shù)據(jù)，可以隨時(shí)查看、刪除數(shù)據(jù)。信號(hào)強(qiáng)度、電池電量、經(jīng)度、緯度數(shù)據(jù)顯示。儀器外形堅(jiān)固，美觀大方，傳感器密封性好，耐腐蝕，能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境，使用壽命長。土壤質(zhì)地影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛,適合中國國情。便攜式無線墑情監(jiān)測

23、儀技術(shù)參數(shù)：工作電壓：712v 工作電流：8.4v/125ma 待機(jī)電流：200ua 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量；40000組 相對(duì)濕度：90% 環(huán)境工作溫度：-1060 水分單位：%（m3/m3） 含水率測試范圍：0100% 經(jīng)度：0100 緯度：090 坐標(biāo)精度：0.01 測試反應(yīng)時(shí)間：2秒 測試的絕對(duì)誤差：2% 相對(duì)百分誤差：3% 土壤水分探頭工作溫度：-1070 電源：內(nèi)置8.4v-10ah鋰離子電池 儀器重量：3kg 待機(jī)時(shí)間：一個(gè)月 3結(jié)論與討論本文介紹了柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)驗(yàn)證效果。結(jié)果表明，在1 km以內(nèi)耗時(shí)低于100 ms，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率高于98兇為系統(tǒng)采用了zigbe