土壤風(fēng)蝕是導(dǎo)致中國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化的重要原因。圍繞土壤風(fēng)蝕進(jìn)行的野外觀測(cè)、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等研究獲得了空前的發(fā)展。由于土壤風(fēng)蝕自身物理機(jī)制極其復(fù)雜,且具有時(shí)間上的突發(fā)性、空間上的無邊界性以及難以重復(fù)等特點(diǎn),導(dǎo)致風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差較大,各研究結(jié)果之間差異明顯,可比性不夠強(qiáng)。

因此,將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于土壤風(fēng)蝕研究中,研制穩(wěn)定可靠的能實(shí)時(shí)采集風(fēng)蝕數(shù)據(jù)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備,建立高效、專業(yè)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性、科學(xué)性與可靠性,滿足復(fù)雜多變的野外風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)需求,是研究土壤風(fēng)蝕亟需解決的問題,也是目前土壤風(fēng)蝕研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。針對(duì)目前土壤風(fēng)蝕測(cè)試與監(jiān)測(cè)方法存在的勞動(dòng)強(qiáng)度大、風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、跨區(qū)域尺度內(nèi)無法實(shí)時(shí)采集風(fēng)蝕數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)與不足,綜合無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代理論與技術(shù),在研制具有自組網(wǎng)和自動(dòng)數(shù)據(jù)采集處理功能的多通道風(fēng)速廓線儀和集沙儀的基礎(chǔ)上,建立了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了土壤風(fēng)蝕區(qū)域環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力、近地表風(fēng)速廓線和風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu),建立傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署模型,研究了基于數(shù)據(jù)流的應(yīng)用層低功耗數(shù)據(jù)訪問策略,從而實(shí)現(xiàn)低功耗、高可靠性的數(shù)據(jù)采集與傳輸。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過在研究區(qū)域內(nèi)有序布設(shè)多個(gè)觀測(cè)點(diǎn),可對(duì)風(fēng)蝕指標(biāo)進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè),為實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、大尺度的土壤風(fēng)蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了理論與技術(shù)依據(jù)。

主要研究結(jié)論如下：1.利用恒溫法測(cè)量原理,在FS5熱敏探頭的基礎(chǔ)上,研制了具有體積小、功耗低、強(qiáng)度高且測(cè)量精度高等特點(diǎn)的風(fēng)速傳感器,并研究了硬件溫度補(bǔ)償電路、傳感器信號(hào)處理算法及對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)影響較小的L型探頭外殼等。通過對(duì)硬件部分進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試與優(yōu)化,降低了因電路缺陷而導(dǎo)致的誤差積累及精度不足等問題；采用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)傳感器組進(jìn)行標(biāo)定,確定了傳感器的輸出特性曲線；采用較小二乘法對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行5次多項(xiàng)式擬合,8路傳感器的曲線擬合度均在0.999以上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該傳感器的連續(xù)穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)達(dá)7.2小時(shí),上電至輸出穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)不超過8s,風(fēng)速響應(yīng)時(shí)間2～3s；0～6m/s風(fēng)速下的測(cè)量精度不低于0.05m/s,較大輸出電壓偏差小于10mv,6～16m/s風(fēng)速下的測(cè)量精度不低于0.13rm/s,較大輸出電壓偏差小于30mv。

2.研制了集成溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、8路風(fēng)速傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)及無線傳輸模塊的低成本無線數(shù)據(jù)采集器及具有無線自組網(wǎng)功能的低功耗多通道風(fēng)速廓線儀,實(shí)現(xiàn)了環(huán)境溫度、濕度、大氣壓力及距地表2、4、8、16、23、32、45和64cm高度處風(fēng)速的自動(dòng)采集、處理與無線傳輸。研究了風(fēng)速數(shù)據(jù)的同步采集處理算法,并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分別在4、6、8、10、12和14m/s風(fēng)速下對(duì)風(fēng)速廓線儀進(jìn)行測(cè)試。標(biāo)定后的風(fēng)速廓線在高度上符合指數(shù)分布,能夠準(zhǔn)確反映近地表風(fēng)速的垂直分布規(guī)律。3.按照相似理論研制了可以抗強(qiáng)風(fēng)干擾,具有無線自組網(wǎng)功能,氣流分流對(duì)沖與多級(jí)擴(kuò)容組合降速的多通道自動(dòng)集沙儀;采用高精度懸臂稱重傳感器研制了具有自動(dòng)稱重功能的集沙單元及傳感器信號(hào)調(diào)理電路,利用均值法與閾值限定相結(jié)合的方法有效消除了外部噪聲信號(hào)和環(huán)境風(fēng)速突變對(duì)稱重系統(tǒng)的干擾。該集沙儀可實(shí)時(shí)采集傳輸距地面2、8、19、32、36、49、53和66cm高度上的土壤風(fēng)蝕量。結(jié)果顯示：稱重傳感器組具有極好的線性度,可實(shí)現(xiàn)0-180g的測(cè)量范圍,精度達(dá)0.01g,連續(xù)10小時(shí)的累積誤差不超過±0.04g；在0-15m/s的風(fēng)速作用下,排沙口的較大風(fēng)速小于0.56m/s,降速比達(dá)到96%以上；在環(huán)境溫度分別為-19.4℃和4.2℃的條件下,集沙儀的無線傳輸距離在280m以上,零丟包率通信距離在210m左右；在風(fēng)洞中心風(fēng)速為6m/s和14m/s時(shí),8個(gè)集沙單元的等動(dòng)力性均在91.9%和91.3%以上；集沙儀在6、9、12、15和18m/s風(fēng)速下的平均集沙效率為91.7%。

4.構(gòu)建了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的土壤風(fēng)蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),建立傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署模型,采用433MHz無線數(shù)傳模塊和單片機(jī)技術(shù)研制了底層終端自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備；設(shè)計(jì)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)分層體系結(jié)構(gòu)及自組網(wǎng)指令系統(tǒng),并編寫了具有自組網(wǎng)功能的底層網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議；研究了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)、無線數(shù)據(jù)通信機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)全覆蓋方案、獨(dú)立數(shù)據(jù)處理機(jī)制及應(yīng)用層低功耗訪問策略等,實(shí)現(xiàn)了低功耗、高可靠性的數(shù)據(jù)采集、處理和無線傳輸功能。采用“同步采集、異步傳輸”和“輪詢數(shù)據(jù)訪問”方法,解決了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同步采集和匯聚節(jié)點(diǎn)接收“瓶頸”等問題；采用GPRS無線通信技術(shù)連接遠(yuǎn)程服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)了底層網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程客戶端的數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)測(cè)功能。

5.采用模塊化編程思路,以LabVIEW編程語言為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了多功能客戶端數(shù)據(jù)處理軟件,集成了自組網(wǎng)協(xié)議模塊、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊等。采用USB無線數(shù)傳模塊在客戶端PC上直接實(shí)現(xiàn)了無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、處理功能；通過UDP數(shù)據(jù)通信方式實(shí)現(xiàn)了客戶端與遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)訪問、讀取、下載和實(shí)時(shí)處理等功能；同時(shí),完成了風(fēng)速廓線及風(fēng)沙流結(jié)構(gòu)曲線的實(shí)時(shí)解算與繪制,并對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

6.多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域可同時(shí)與服務(wù)器建立數(shù)據(jù)傳輸,軟件系統(tǒng)根據(jù)GPRS設(shè)備識(shí)別碼實(shí)現(xiàn)被測(cè)區(qū)域的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理；通過在客戶端運(yùn)行多個(gè)數(shù)據(jù)處理軟件,可實(shí)現(xiàn)多個(gè)被測(cè)區(qū)域的同步監(jiān)測(cè)功能。野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：在無線空中傳輸速率為2、10、25和50kbps時(shí),底層網(wǎng)絡(luò)的較大有效通信距離分別為260、210、125和65m；對(duì)一個(gè)由6個(gè)測(cè)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò),自組網(wǎng)系統(tǒng)建立時(shí)間不超過5s,匯聚節(jié)點(diǎn)可在3s內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次節(jié)點(diǎn)遍歷和數(shù)據(jù)匯聚,其零丟包率數(shù)據(jù)傳輸距離達(dá)210m以上；風(fēng)速廓線節(jié)點(diǎn)和集沙儀節(jié)點(diǎn)單次較大工作時(shí)長(zhǎng)不低于6h和22h；可滿足大尺度、跨區(qū)域土壤風(fēng)蝕實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求。