CN102749339A - 基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法和装置，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、微处理器单元、无线通信模块、天线，所述供电单元分别与微处理器单元、无线通信模块相连；微处理器单元、无线通信模块、天线依次连接；所述无线地下节点用于测量无线信号接收强度，并根据该强度值得到土壤含水量。该方法是利用无线信号在土壤里面传输时信号接收强度变化、节点之间的距离、节点工作频率与土壤含水量之间的关系得到土壤含水量信息。本发明无需使用大量的土壤水分传感器，可以大大减少土壤含水量的测定成本，结构简单，使用方便。

Description

基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法及装置

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频域测量方法及装置。

背景技术

土壤含水量的有效测定，对于提高农业用水效率、缓解我国农业用水危机、实现农业可持续发展具有重要意义。

目前，获得土壤含水量的方法主要有两种，一种是传统的田间观察，即农户亲自到农田里根据其经验做出判断，因为这种方法与农户本身的经验有关，且监测范围有限，所以准确性很低；另一种方法是通过采用土壤水分传感器来进行测定。这种方法准确度较第一种方法比较客观准确，但是目前采用的测定技术大多属于小尺度点测量方法，测量范围只局限在土壤水分传感器测量点周围，因此，如果要实现较大范围的土壤含水量测量就需要用到大量的土壤水分传感器，大大增加了测量成本。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(Broadband Wireless Networks，BWN)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频域测量方法，该方法利用无线信号在土壤里面传输时衰减量与土壤含水量之间的关系，通过测量无线信号衰减情况来获得土壤含水量信息，该方法无需使用大量的土壤水分传感器，可以大大减少土壤含水量的测定成本。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频域测量装置。

本发明的一个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频域测量方法，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，利用无线信号在土壤里面传输时信号接收强度变化、节点之间的距离、节点工作频率与土壤含水量之间的关系得到土壤含水量信息。

包括以下步骤：

（1）任取两个用于测量的无线地下节点，将二者天线相互贴紧，选择其中一个地下节点，连续多次测量二者零距离时的RSSI（Received Signal StrengthIndication，接收信号强度）值，然后取其平均值L₀；将无线地下节点按照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测量节点对，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；

（3）测量主节点和测量副节点之间相互发送信号，在信号传递过程中分别记录下各自的RSSI值；

（4）连续测量n次后，根据下式计算测量过程中RSSI信号的平均值L：

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{2n}(L_{1i}+L_{2i});$

其中L_1i和L_2i分别代表第i次（1≤i≤n）测量得到的主节点RSSI值和副节点RSSI值；

（5）根据下式得到测量主节点和副节点之间的土壤含水量φ：

$L-L_0=-0.5315+20\log d+20\log \left(\frac{2\mathrm{\πf}}{300000000}\right)+10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\φ})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)$

$+\frac{17.38\mathrm{\πf}{\mathrm{\φ}}^{\frac{1}{0.65}}(1.8874+\frac{4.9038}{\mathrm{\φ}})d}{600000000\sqrt{10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\φ})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)}};$

其中：L为当前测量节点对在测量过程中RSSI信号的平均值，单位为dBm，L₀为零距离时RSSI信号的平均值，单位为dBm，d为当前测量主节点和副节点之间的距离，单位为米，f为无线地下节点工作频率，单位为Hz，φ为土壤含水量，单位为%；

（6）判断无线地下传感器网络中是否所有可用于测量土壤含水量、且相互距离为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。

优选的，所述步骤（1）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微处理器单元的内置存储器里。

更进一步的，所述0.1m<h<2m，1m<d<5m。

具体的，所述步骤（3）中，测量主节点发送指令给测量副节点，测量副节点接收指令并同时记录信号的RSSI值，记录为L₁；然后测量副节点对接收到的指令进行解析，如果是土壤含水量测量指令，则将L₁连同指令一起发送到主节点，主节点接收信号并同时记录接收信号的RSSI值，记录为L₂。

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（5）中公式进行复杂的计算，可以预先计算在不同L、L₀、d、f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（5）得到L后，即可通过查表的形式得到土壤含水量。

一种实现上述基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法的装置，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、微处理器单元、无线通信模块、天线，所述供电单元分别与微处理器单元、无线通信模块相连；微处理器单元、无线通信模块、天线依次连接；所述无线地下节点用于测量无线信号接收强度，并根据该强度值得到土壤含水量。

优选的，所述供电单元采用可充电电池，其工作电压在3.2V-3.7V之间，最大可提供10A的瞬时工作电流，并采用LM1117-3.3低压差线性稳压芯片进行稳压。

优选的，所述微控制器单元采用MSP430系列单片机，具备高速的信号处理能力。

优选的，所述无线通信模块采用CC1101无线模块。该模块可工作在免费的433Mhz频段，具备测量接收信号强度RSSI的功能。

优选的，所述天线是工作在433Mhz、增益为3dBi的螺旋天线。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明基于无线地下传感器网络实现土壤含水量信息的测定可以覆盖较大范围内的土壤区域，属于中尺度土壤含水量测定方法，无需使用大量的土壤水分传感器，可以大大减少土壤含水量的测定成本。

2、本发明利用无线电波在土壤里传播时信号强度与土壤含水量之间的高度相关特性，实现基于无线地下传感器网络的土壤含水量频域测量方法，充分利用无线地下节点本身具有的无线信号监测和收发特性进行土壤含水量的测定，无需再加额外的外围模块，大大降低了硬件复杂度和制作成本。

3、本发明测量得到土壤含水量信息直接通过无线地下传感器网络传输出去，无需另外再增加信息传输模块。

附图说明

图1是本发明装置的总体部署示意图；

图2是本发明装置中无线地下节点的具体结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明使用部署在土壤里面的多个无线地下节点组成无线地下传感器网络，无线地下传感器网络通过测量相邻的无线地下节点之间信号传输强度的变化情况来获得土壤含水量信息。无线地下节点均埋设在土壤里面。无线地下节点在土壤里面的部署深度固定为h（0.1m<h<2m）,其中，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米（1m<d<5m）。用来测量土壤含水量的两个无线地下节点合称为一个“无线地下节点对”，在后面测量过程中也就是组成的测量节点对，每个测量节点对之间的距离均固定为d米。

如图2所示，无线地下节点包括供电单元、微处理器单元、无线通信模块、天线，所述供电单元分别与微处理器单元、无线通信模块相连；微处理器单元、无线通信模块、天线依次连接；所述无线地下节点用于测量无线信号接收强度，并根据该强度值得到土壤含水量。

本实施例中，所述供电单元采用可充电电池，其工作电压在3.2V-3.7V之间，最大可提供10A的瞬时工作电流，并采用LM1117-3.3低压差线性稳压芯片进行稳压。

所述微控制器单元，采用MSP430系列单片机，具备高速的信号处理能力。

所述无线通信模块采用CC1101无线模块，可工作在免费的433Mhz频段，具备测量接收信号强度RSSI的功能。

所述天线采用工作在433Mhz、增益为3dBi的螺旋天线。

本实施例中，基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法，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，利用无线信号在土壤里面传输时信号接收强度变化、节点之间的距离、节点工作频率与土壤含水量之间的关系得到土壤含水量信息。

方法具体步骤如下：

（1）任取两个用于测量的无线地下节点，将二者天线相互贴紧，选择其中一个地下节点，测量其零距离时的RSSI值，连续测量n次后，根据下式计算无线地下节点零距离的RSSI信号的平均值L₀：

$L_0=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{n}{L}_{0i}$

其中L_0i代表第i次（1≤i≤n）测量得到的无线地下节点零距离的RSSI值；

将多个无线地下节点按照如图1所示的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、且相互距离为d的无线地下节点，即一个无线地下节点对组成测量节点对，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。

（3）测量主节点发送“土壤含水量测量指令”给测量副节点。

（4）测量副节点接收信号并同时记录信号的RSSI（接收信号强度）值，记录为L1。

（5）测量副节点对接收到的信号进行解析，如果是“土壤含水量测量指令”则提取已记录的L₁值并填入“土壤含水量测量确认指令”里，一起发送回测量主节点。

（6）测量主节点接收信号并同时记录接收信号的RSSI（接收信号强度）值，记录为L₂。

（7）测量主节点对接收信号进行解析，如果是“土壤含水量测量确认指令”则从指令中提取L₁、L₂值，并存储在测量主节点中。

（8）判断是否已连续测量10次，如否则跳回到步骤（3），如是则进入下一步骤。

（9）计算10次测量过程中RSSI信号的平均值L：

$L=\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{20}(L_{1i}+L_{2i})$

其中L_1i和L_2i分别代表第i次（1≤i≤10）测量得到的L₁和L₂值。其中这里的测量次数可以根据实际应用要求进行调整。

（10）求得深度h处的土壤含水量φ：

φ=f(L,d)。

（11）根据下式得到测量主节点和副节点之间的土壤含水量φ：

$L-L_0=-0.5315+20\log d+20\log \left(\frac{2\mathrm{\&pi;f}}{300000000}\right)+10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\&phi;})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)$

$+\frac{17.38\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&phi;}}^{\frac{1}{0.65}}(1.8874+\frac{4.9038}{\mathrm{\&phi;}})d}{600000000\sqrt{10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\&phi;})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)}};$

其中：L为当前测量节点对在测量过程中RSSI信号的平均值，单位为dBm，L₀为零距离时RSSI信号的平均值，单位为dBm，d为当前测量主节点和副节点之间的距离，单位为米，f为无线地下节点工作频率，单位为Hz，φ为土壤含水量，单位为%。

（12）判断无线地下传感器网络中是否所有可用于测量土壤含水量、且相互距离固定为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。

为了节约处理时间，避免每次测量后都需要采用步骤（11）中公式进行复杂的计算，可以预先计算在不同L、L₀、d、f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（5）得到L后，即可通过查表的形式得到土壤含水量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明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发明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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法，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，利用无线信号在土壤里面传输时信号接收强度变化、节点之间的距离、节点工作频率与土壤含水量之间的关系得到土壤含水量信息。

2.根据权利要求1所述的基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）任取两个用于测量的无线地下节点，将二者天线相互贴紧，选择其中一个地下节点，连续多次测量二者零距离时的RSSI值，然后取其平均值L₀；将无线地下节点按照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测量节点对，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；

（3）测量主节点和测量副节点之间相互发送信号，在信号传递过程中分别记录下各自的RSSI值；

（4）连续测量n次后，根据下式计算测量过程中RSSI信号的平均值L：

$L=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{1}{2n}(L_{1i}+L_{2i});$

其中L_1i和L_2i分别代表第i次（1≤i≤n）测量得到的主节点RSSI值和副节点RSSI值；

（5）根据下式得到测量主节点和副节点之间的土壤含水量φ：

$L-L_0=-0.5315+20\log d+20\log \left(\frac{2\mathrm{\&pi;f}}{300000000}\right)+10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\&phi;})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)$

$+\frac{17.38\mathrm{\&pi;f}{\mathrm{\&phi;}}^{\frac{1}{0.65}}(1.8874+\frac{4.9038}{\mathrm{\&phi;}})d}{600000000\sqrt{10\log (1.15{(1.9769+16.2587\mathrm{\&phi;})}^{\frac{1}{0.65}}-0.68)}};$

其中：L为当前测量节点对在测量过程中RSSI信号的平均值，单位为dBm，L₀为零距离时RSSI信号的平均值，单位为dBm，d为当前测量主节点和副节点之间的距离，单位为米，f为无线地下节点工作频率，单位为Hz，φ为土壤含水量，单位为%；

（6）判断无线地下传感器网络中是否所有可用于测量土壤含水量、且相互距离为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。

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频域测量方法，其特征在于，所述步骤（1）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微处理器单元的内部存储器里，所述0.1m<h<2m，1m<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频域测量方法，其特征在于，所述步骤（3）中，测量主节点发送指令给测量副节点，测量副节点接收指令并同时记录信号的RSSI值，记录为L₁；然后测量副节点对接收到的指令进行解析，如果是土壤含水量测量指令，则将L₁连同指令一起发送到主节点，主节点接收信号并同时记录接收信号的RSSI值，记录为L₂。

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频域测量方法，其特征在于，预先计算在不同L、L₀、d、f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（5）得到L后，即能通过查表的形式得到土壤含水量。

6.一种实现权利要求1所述基于无线地下传感器网络的土壤水分频域测量方法的装置，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、微处理器单元、无线通信模块、天线，所述供电单元分别与微处理器单元、无线通信模块相连；微处理器单元、无线通信模块、天线依次连接；所述无线地下节点用于测量无线信号接收强度，并根据该强度值得到土壤含水量。

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频域测量装置，其特征在于，所述供电单元采用可充电电池，其工作电压在3.2V-3.7V之间，最大可提供10A的瞬时工作电流，并采用LM1117-3.3低压差线性稳压芯片进行稳压。

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频域测量装置，其特征在于，所述微控制器单元采用MSP430系列单片机。

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频域测量装置，其特征在于，所述无线通信模块采用CC1101无线模块。

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频域测量装置，其特征在于，所述天线是工作在433Mhz、增益为3dBi的螺旋天线。

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