基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统研究

发布时间：2016-11-28 07:39

开展土壤风蚀研究必须借助于必要的监测手段和方法,获得不同区域在不同时间大量而精确的风蚀数据。目前,围绕土壤风蚀进行的野外观测、风洞实验等研究在化界主要风蚀地区获得了空前的发展,并成为生态环境监测的重点项目。研究人员相继从风沙地貌与沙漠化、风蚀动力学、风蚀影响因子、风蚀测定与评估模型、风蚀防治技术等方面阐述了风蚀过程并进行了大量的实验研究,揭示了各种因素对风蚀过程的影响,特别是人为因素对风蚀的加剧作用,并提出了不同地区的风蚀防治措施。化由于土壤风蚀自身具脊时间上的突发性、空间上的无边界性及难重复等特性,加之风蚀作用自身物理机制极其妓杂旧.在时空上变异巨大,导致风蚀监测数据误差较大,各研究结果之间差异明显、可比性不够强。因此,为有效地防治土壤风蚀,就需要对现有风蚀监测方法进行系统比较、分析与优化。同时,研制稳定、可靠的能实时采集风蚀数据的土壤风蚀监测设备,建立高效、专业的土壤风蚀监测系统,将土壤风蚀从局部治理延伸到区域防治。在研究区域内有序地布设多个观测站点形成监测网络,对风蚀的一系列指标进行长期定时、定位观测,获得不同区域、不同时间大量而精确的野外观测数据,以研究土壤风蚀机理及其防治措施,并构建相关模型,在未来的很长一段时间内仍将是一项极具挑战性的任务。

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2热敏式多通道风速廓线仪研究

2.1热敏式低功耗风速传感器研究

地表空气动力学粗趙度是地表平均风速减小到零的高度,其值越大意味着土壤表面对风速的消弱作用越明显,抗风蚀能力越强。近地表风速廓线是指风速随高度的变化规律,表征了风速在垂直方向上的强度变化。研究发现;在土壤风蚀防治过程中,提高地表植被覆盖度、留苦高度和带状修复等措施,其实质是通过改变地表植被结构,提高地表的粗禮度,增大地表对气流的消弱作用,从而降低了地面风速,减弱土壤风蚀能力,也导致近地表风速廓线发生变化地表粗饱度的变化将直接导致地表风速廓线的变化;近地表风速廓线的变化可间接地反映地表粗飽度的变化,可以用来评价被测区域内土壤的抗风蚀能力。因此,课题提出将近地表风速廓线作为研究重点,研制小体积、低功耗、高精度且具有硬件温度补偿功能的恒温式风速传感器及具有自组网和自动风向识别功能的多通道风速廓线仪。

2.2传感器性能测试分析

另外,为便于系统集成并采用参考电压为5V的16位AD转换器对传感器输出电压进行采集,就需要増加减法器电路将传感器的输出电压限制在0?5V以内,并对输出的电压信号做进一步滤波处理。在室温环境下,通过对10个风速传感器探头的实验测试发现,各传感器的零风速电压最小值为1.834V;在16.4m/s风速下的最大输出电压为6.173V。因此,采用放大器AD623和稳压芯片HT7318设计了减法器电路,将输出电压U。减去1.8V后作为传感器的输出信号,并増加了滤波电容C8输出电压进行滤波。传感器电路原理图及实物图如图巧和图16所示,输出电压V0UT与风速V的关系曲线如图14所示。

3分流对冲式多通道无线集沙仪研究...51

3.1分流对冲降速原理...51
3.2多通道无线集沙仪研制...51
3.3集沙仪数据采集处理系统研究55...60
4基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统研究...78
4.1土壌风蚀监测系统的构建...78
4.2低功耗无线数据采集节点设计...81
4.3无线数据通信机制...90
4.4自组网通信协议研究...92
5土壤风蚀监测系统数据处理软件设计...101
5.1软件结构设计...101
5.2服务器数据访问软件...102
5.3客户端数据处理软件设计......103

6风蚀监测系统实验验证

6.1无线传输性能测试

在系统投入使用前,需要通过野外试验的方法来验证研制的无线风速廓线仪、多通道集沙仪及±壤风蚀监测系统是否满足野外风蚀研究的需求;分别在天然草地、灌草带状修复草地、传统秋翻地三种地表下对仪器和系统的运行状态及工作性能进行试验测试,通过分析不同地表下系统获得的风速廓线和风沙流结构曲线等,来验证系统工作的可靠性及稳定性。

6.2风蚀蓝测系统测试实验

实验时,底层网络中包含一个风速廓线采集节点和一个集沙量采集节点,分别将20g、lOg、5g、2g、2g、1g、0.5g和0.2g等8种F2标准砝码置于集沙仪8个集沙盒内以便于测试集沙仪的测量精度;并采用小风机对8路风速传感器进行分别测试,以判断各传感器的工作状态;测试环境温度为18.9°C,系统连续运行3小时,测试系统运行的稳定性。测试结果如图87所示。由实验结果可知:①在局域网数据访问模式,土壤风蚀监测系统的运行状态良好,实现了节点的自组网、数据同步采集和无线数据传输与实时处理功能;②采集节点实现了温度、湿度、大气压力、8通道风速和集沙量等数据的自动采集、无线传输与实时处理等功能,实时绘制了近地表风速廓线和风沙流结构曲线,并给出相关拟合方程;其中,7号和8号传感器采集的是风机在该测点处产生的风速,在无风状态下,1号传感器输出误差为O.2m/s,2-6号传感器的输出为零;8路称重传感器的最大误差小于±0.02g。
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7结论与展望

本文以研究内蒙古阴山北麓农牧交错区草原、农田土壤风蚀的发生、发展及演变规律为背景,借助于无线传感网络技术、传感器技术、电子信息技术、通信技术和计算机技术,优化风蚀监测方法和手段,建立了基于无线传感网络的止壌风蚀监测系统,研制了相配套的风蚀信息监测设备,实现了与土壤风蚀相关的环境温度、湿度、大气压力、风速和风蚀量等数据的自动组网采集、处理与无线传输。(1)利用FS5热敏流量传感器探头,以恒温法风速测量原理,设计了传感器信号调理与采集处理电路,研制了具有体积小、功耗低、强度高且测量精度高等特点的风速传感器,并研究了硬件温度补偿电路和传感器信号处理算法等。该传感器自上电至输出稳定时长不超过8s,风速响应时间为2-3s;在0-6m/s风速下的测量精度不低于O.O5m/s,在6-16m/s风速下,传感器测量输出电压最大偏差在30mv以内,测量精度不低于O.13111/5;连续稳定工作时长达6.3个小时。所设计的型探头外壳对其周围流场品质影响较小。

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参考文献（略）

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本文编号：196233