一(yī)、環境監測的意義

       環境監測是環境保護工(gōng)作中(zhōng)的基礎工(gōng)作，環境監測數據是環保部門的最大(dà)資(zī)源。環境監測的核心目标是提供代表環境質量現狀及變化趨勢的數據，判斷環境質量，評價當前主要環境問題，爲環境管理服務。

       随着國民經濟的快速發展，新的環境問題将不斷産生(shēng)，環境保護任務将日益艱巨，對環境監測提出了越來越高的要求。我(wǒ)(wǒ)們不僅要加強環境監測能力建設，提高監測水平，提供準确數據，及時掌握環境質量狀況，還應有足夠的技術能力和裝備，對環境狀況進行分(fēn)析和預測，提出良好的建議和辦法，主動适應環境保護工(gōng)作新的需要，使環境監測工(gōng)作真正成爲環境管理的重要基礎和組成部分(fēn)，真正實現環境監測事業的新發展。

二、常用的土壤溫濕度檢測方法

       由于不同地區的土壤環境有所不同，其物(wù)理特性和化學成份分(fēn)布具有不均一(yī)性，尤其是農田，其受耕種植被的影響，造成土壤中(zhōng)溫、濕度水分(fēn)含量的垂直梯度和水平分(fēn)布的差異，因此，測定土壤溫濕度時要求分(fēn)層和多布點測定，同時爲了掌握土壤溫濕度随時間的變化規律，還要進行周期性測定。常用的觀測土壤溫濕度方法有以下(xià)三種。

    （1）直接測定法：①土壤濕度直接測量：指把土壤水分(fēn)與固體(tǐ)部分(fēn)相分(fēn)離(lí)的方法，包括稱重烘幹法和酒精法，其優點是直接、簡單，但人工(gōng)取土、實驗室分(fēn)析，導緻勞動強度加大(dà)，測定過程費(fèi)時、繁瑣。②土壤溫度直接測量是指用溫度計直接測溫度。優點是直觀、易讀，但精度難以保證。

    （2）遙感法與GPS定位法，這兩種方法都要将土壤樣品送到實驗室中(zhōng)處理分(fēn)析，耗資(zī)費(fèi)時，不能實現連續時間的檢測，僅能對某一(yī)段時間内土壤的溫濕度進行分(fēn)析。

    （3）間接測定法：測定反映土壤含水量及溫度的土壤物(wù)理參數或氣體(tǐ)體(tǐ)積的方法，此方法中(zhōng)最常用的是電(diàn)測法：主要根據土壤水分(fēn)與土壤溶液導電(diàn)性的密切關系測定土壤濕度；利用土壤濕度變化與流經熱敏電(diàn)阻的電(diàn)流變化關系，測定土壤溫度。這種方法操作簡單，儀器低廉，可定點連續測定。但不夠靈敏，在高溫條件下(xià)不準确，且測定過程中(zhōng)需要人工(gōng)觀察，因此布點不可能較多。

       常規的土壤濕溫度檢測方法，有的過程繁瑣、操作不便；有的可操作性強，但太過簡單，難以保證精确度；有的耗資(zī)費(fèi)時。爲了有效改善常規的檢測技術和監測手段，必須借助現代科學技術的先進成果。

三、基于無線傳感器網絡土壤溫濕度檢測系統模型

       電(diàn)測法土壤溫、濕度檢測技術中(zhōng)，用到了現代溫、濕度傳感器技術，這種測量方法客觀性強，人爲因素影響小(xiǎo)，具有可重複性，可連續測定。并且，該方法借助現代的電(diàn)子技術和通訊技術，可實現自動化檢測，實時監測，因此，人們可以對電(diàn)測法技術進行改進，将電(diàn)測法中(zhōng)所用的溫、濕度傳感器更換爲現代集信息采集、加工(gōng)和傳遞與一(yī)體(tǐ)的無線智能傳感器節點，利用先進的WaveMesh移動自組網技術和無線智能傳感器網絡技術，實現多布點，全方位的土壤溫、濕度無線傳感器網絡智能檢測系統。

1. WaveMesh移動自組網技術簡介

       WaveMesh是針對于低功耗、低成本的無線移動自組網絡設計的協議，該協議定義了鏈路層和網絡層，網絡拓撲爲完全分(fēn)布式、對等的網狀網絡。采用私有多徑路由協議，能充分(fēn)利用網絡中(zhōng)的冗餘路由，數據鏈路具有優異的自愈性的穩定性。網絡不需要初始化節點上電(diàn)可以立即進行無線通信，支持規模大(dà)、拓撲結構變化快的移動網絡，是無線移動自組網的理想協議。所有節點都是平等的，都可以休眠。網絡性能優異，易于部署，可裁剪性好、自愈性好。協議棧代碼尺寸小(xiǎo)、容錯性高，即使出現供電(diàn)等硬件故障也會在極短時間内自我(wǒ)(wǒ)恢複。憑借在諸多網絡特性上的絕對優勢，WaveMesh協議已經在很多行業中(zhōng)得到應用。

       WaveMesh移動自組網協議誕生(shēng)于2007年，經過很多年的實際應用、經驗積累，已經日趨完善成熟，形成了一(yī)系列完備的協議族和專業解決方案，目前已經在多個行業中(zhōng)處于領導地位。

2. 無線智能傳感器網絡技術簡介

       無線智能傳感器網絡是一(yī)種無中(zhōng)心節點的全分(fēn)布系統，通過随機投放(fàng)的方式，衆多傳感器節點被密集部署于監控區域。這些智能傳感器節點有傳感器、 數據處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統。智能傳感器節點借助于其内置的溫度和濕度傳感器，測量待測地區土壤的溫濕度信息。智能傳感器節點間具有良好的協作能力，通過局部的數據交換來完成全局任務。智能傳感器通過無線網絡，将采集到的數據發送到集中(zhōng)控制器，集中(zhōng)控制器将收到的數據保存到SD存儲卡中(zhōng)，科技工(gōng)作人員(yuán)可随時取出SD卡，讀取存儲卡中(zhōng)的數據，用于科研分(fēn)析。通過網關，智能傳感器網絡還可以連接到現有的網絡基礎設施上，從而将采集到的信号實時回傳給遠程終端用戶，做到實時監測的目的。

3. 系統模型設計

       通過分(fēn)析無線自組網絡技術和無線智能傳感器技術，建立土壤溫濕度智能系統模型結構。模型中(zhōng)監測系統由無線智能傳感器監測網絡和遠程數據處理中(zhōng)心兩部分(fēn)組成。無線智能傳感器監測網絡由分(fēn)布在待監測區域中(zhōng)的多個智能傳感器節點組成，實時采集土壤溫濕度參數。以WaveMesh無線通信協議組建自适應網絡，所有節點數據最終路由到集中(zhōng)控制器，由集中(zhōng)控制器保存數據，或者路由到網關節點，由網關節點将全部數據通過GPRS無線通信網絡轉發到遠程數據中(zhōng)心，遠程數據中(zhōng)心負責數據的接收、存儲和分(fēn)析。檢測網絡中(zhōng)的所有節點均采用大(dà)容量的锂電(diàn)池供電(diàn)。

WaveMesh無線智能傳感器網絡

       智能傳感器節點是一(yī)個微型的嵌入式系統。對網關節點要求處理能力和運行速度都要比傳感器節點強，故可選擇具有豐富片上資(zī)源的STM32F103微處理器爲核心，根據具體(tǐ)的功能要求，擴展硬件通訊接口。

4. 遠程數據中(zhōng)心實現

       遠程數據中(zhōng)心爲一(yī)台具有固定公網IP地址的計算機，在其上運行的基站數據管理軟件主要功能爲：實現數據的接收，存儲、分(fēn)析和決策，以完成相應的控制過程。其功能模塊可劃分(fēn)爲： 數據接收模塊、數據庫存儲模塊、土壤溫濕度随時間變化的分(fēn)析模塊。

四、技術特點

1. 移動自組網技術特點

      a. 分(fēn)布式對等網絡：整個檢測網絡沒有中(zhōng)心節點，每個檢測節點獨立維護自己的路由信息，不需要檢測節點之間進行路由綁定。檢測網絡中(zhōng)允許有多個集中(zhōng)器或網關設備。分(fēn)布式網絡具有健壯性好、組網速度快、網絡拓撲變化敏感、網絡容量大(dà)、成本低廉等明顯優勢；

     b. 網絡容量大(dà)：檢測網絡規模沒有上限，支持幾萬個檢測節點的網絡。檢測節點地址長度1-16字節，支持IPV6協議；

     c. 檢測節點任意移動：采用私有多徑路由協議，可以充分(fēn)利用無線信号的冗餘，最大(dà)限度減少路由建立和維護過程的開(kāi)銷，能夠在多條路徑并行進行數據報文的發送，時刻進行新路由的發現，對網絡拓撲結構的變化敏感，并對路由進行更新不需要進行洪泛，可以在不同路由之間無縫切換；

     d. 網路初始化時間爲0：整個網路完全沒有初始化的過程，檢測節點上電(diàn)後可以立即進行通信，檢測節點可以随時加入、離(lí)開(kāi)網絡。

     e. 可靠的數據傳輸：所有數據傳輸都是按照點對點5次握手的方式進行，采用可靠的單播實現廣播、多播。采用多次嘗試、碰撞避免和擁塞控制及時，保證所有的數據報文都安全可靠抵達目标節點；

     f. 功耗低：多種休眠模式（同步、異步、混合和自主休眠），并且可以在不同休眠模式之間靈活切換。休眠檢測節點之間可以進行雙向可靠通信。采用重複發送報文方式安全迅速全網異步喚醒，檢測節點被誤喚醒的概率爲0，喚醒延時固定；

    g. 抗幹擾能力強：數據傳輸采用多個無線信道（一(yī)個主信道和多個輔助信道）。多個輔助信道之間采用跳頻(pín)方式進行數據傳輸。當主信道受到幹擾或沖突時，無線網絡可以自動選擇新的比較幹淨的信道作爲主信道；

    h. 安全性好：可以有效抵抗虛假、篡改報文攻擊，數據傳輸采用AES-128位加密，有效防止數據報文被監聽(tīng)的可能；

2. 土壤溫度測量誤差：±0.5℃。

3. 土壤濕度測量誤差：±0.03m3/m3。

4. 檢測節點間可視距離(lí)無線傳輸距離(lí)：1500米。

5. 檢測節點使用大(dà)容量锂電(diàn)池供電(diàn)。如果檢測地區采光條件好，可使用太陽能電(diàn)池給锂電(diàn)池充電(diàn)，可有效延長锂電(diàn)池供電(diàn)時間。

 6. 可實時檢測土壤溫濕度，或者将檢測的數據保存到SD存儲卡中(zhōng)，需要時，取出SD卡，讀取數據。