基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统及其关键技术研究

Soil wind erosion is a major reason of ecosystem degradation of arid and semi-arid regions in Northern China. At present, the research of how to use wireless sensor network technology to obtain more information in agricultural and environmental areas becomes a hot spot in the world. This project intends to conduct a study of soil wind erosion monitoring system and its key technology based on wireless sensor network (WSN). The aim is to establish a multi-channel real-time collection, transmission and processing of soil wind erosion data system, which is based on WSN, to meet the needs of precise monitoring of soil wind erosion. Making use of the airflow reverse hedges principle to reduce the impact of airflow oscillation which influences on signal acquisition of sand collection sensors, the mechanisms of sand collection and noise reduction were discovered. A layered architecture of WSN will be designed. An optimized deployment model of sensor nodes and aggregation nodes will be built as well. And a method of dynamic power management based on the data stream forecast will be put forward. Finally, all of the scientific work is to achieve lower power consumption and higher reliability of data's acquisition, transmission and processing. On one hand, this study is a very important research content during the development trends of this field. On the other hand, it is to provide effective methods and techniques for large-scale, cross-regional synchronization study of soil wind erosion. This has great significance for improving the ability and level of soil wind erosion monitoring.

土壤风蚀是导致中国北方干旱、半干旱地区生态系统退化的重要原因。目前，无线传感网络技术应用于农业与环境领域诸多信息的获取是当前国际上的研究热点。本项目对基于无线传感网络（WSN）的土壤风蚀监测系统与关键技术进行研究，以建立满足精细土壤风蚀监测需求的WSN多通道风蚀数据实时采集、传输和处理系统，利用气流反向对冲原理降低气流振荡对集沙传感器信号采集的影响，揭示集沙降噪机理。设计无线传感网络分层体系结构，建立传感器节点与汇聚节点的优化部署模型，提出基于数据流预测的动态功率管理方法，从而实现低功耗、高可靠性的数据采集、传输和处理。该项目的研究，一方面是学科发展趋势的重要研究内容，另一方面是为开展大尺度、跨区域的土壤风蚀同步研究提供有效的方法与技术手段，对提升土壤风蚀监测能力与水平具有十分重要的意义。

开展土壤风蚀研究必须借助于必要的监测手段和方法，研制稳定、可靠的能实时采集、传输和处理风蚀数据的土壤风蚀监测设备，构建具有自主知识产权的土壤风蚀监测系统，是揭示土壤风蚀机理，有针对性地防治土壤风蚀的基础。本项目针对目前土壤风蚀测试或监测方法存在的劳动强度大、风蚀监测数据不稳定、跨区域尺度内实时采集风蚀数据难度大等缺点与不足，综合了无线传感网络技术、传感器技术、电子信息技术和分布式数据处理技术等，研制了具有低电压、低功耗、响应速度快、测量精度较高的且适用于土壤风蚀研究工作的热膜式风速传感器；研制了具有分流对冲降速和多级扩容降速功能的风沙分离器及具有自动称重功能的集沙单元；设计制作了用于风蚀相关设备测试分析和标定的高速数据采集处理系统及可移动式低速微型风洞；突破具有自组网和实时自动数据采集处理功能的多通道风速廓线仪和集沙仪的关键技术难题，研制了具有无线自组网功能的近地表无线风速廓线仪、集沙仪及其自动采集处理系统，建立了基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统；研制并研究了低成本无线自组网数据采集器接收器及其网络拓扑结构、节点全覆盖策略、独立数据处理机制和应用层低功耗数据访问策略；设计了满足风蚀研究及其数据汇聚的底层无线自组网通信协议、远距离无线传输方案以及客户端多通道环境信息采集与处理软件系统。实现了对土壤风蚀区域环境温度、湿度、大气压力、近地表风速廓线和风沙流结构等数据的实时采集、传输和处理。该监测系统通过在研究区域内有序布设多个观测点，可对风蚀指标进行长期定位观测，为实现跨区域、大尺度的土壤风蚀实时监测提供理论与技术依据，对于提升土壤风蚀研究水平，科学防治土壤风蚀具有重要意义。