一、环境监测的意义

       环境监测是环境保护工作中的基础工作，环境监测数据是环保部门的最大资源。环境监测的核心目标是提供代表环境质量现状及变化趋势的数据，判断环境质量，评价当前主要环境问题，为环境管理服务。

       随着国民经济的快速发展，新的环境问题将不断产生，环境保护任务将日益艰巨，对环境监测提出了越来越高的要求。我们不仅要加强环境监测能力建设，提高监测水平，提供准确数据，及时掌握环境质量状况，还应有足够的技术能力和装备，对环境状况进行分析和预测，提出良好的建议和办法，主动适应环境保护工作新的需要，使环境监测工作真正成为环境管理的重要基础和组成部分，真正实现环境监测事业的新发展。

二、常用的土壤温湿度检测方法

       由于不同地区的土壤环境有所不同，其物理特性和化学成份分布具有不均一性，尤其是农田，其受耕种植被的影响，造成土壤中温、湿度水分含量的垂直梯度和水平分布的差异，因此，测定土壤温湿度时要求分层和多布点测定，同时为了掌握土壤温湿度随时间的变化规律，还要进行周期性测定。常用的观测土壤温湿度方法有以下三种。

    （1）直接测定法：①土壤湿度直接测量：指把土壤水分与固体部分相分离的方法，包括称重烘干法和酒精法，其优点是直接、简单，但人工取土、实验室分析，导致劳动强度加大，测定过程费时、繁琐。②土壤温度直接测量是指用温度计直接测温度。优点是直观、易读，但精度难以保证。

    （2）遥感法与GPS定位法，这两种方法都要将土壤样品送到实验室中处理分析，耗资费时，不能实现连续时间的检测，仅能对某一段时间内土壤的温湿度进行分析。

    （3）间接测定法：测定反映土壤含水量及温度的土壤物理参数或气体体积的方法，此方法中最常用的是电测法：主要根据土壤水分与土壤溶液导电性的密切关系测定土壤湿度；利用土壤湿度变化与流经热敏电阻的电流变化关系，测定土壤温度。这种方法操作简单，仪器低廉，可定点连续测定。但不够灵敏，在高温条件下不准确，且测定过程中需要人工观察，因此布点不可能较多。

       常规的土壤湿温度检测方法，有的过程繁琐、操作不便；有的可操作性强，但太过简单，难以保证精确度；有的耗资费时。为了有效改善常规的检测技术和监测手段，必须借助现代科学技术的先进成果。

三、基于无线传感器网络土壤温湿度检测系统模型

       电测法土壤温、湿度检测技术中，用到了现代温、湿度传感器技术，这种测量方法客观性强，人为因素影响小，具有可重复性，可连续测定。并且，该方法借助现代的电子技术和通讯技术，可实现自动化检测，实时监测，因此，人们可以对电测法技术进行改进，将电测法中所用的温、湿度传感器更换为现代集信息采集、加工和传递与一体的无线智能传感器节点，利用先进的WaveMesh移动自组网技术和无线智能传感器网络技术，实现多布点，全方位的土壤温、湿度无线传感器网络智能检测系统。

1. WaveMesh移动自组网技术简介

       WaveMesh是针对于低功耗、低成本的无线移动自组网络设计的协议，该协议定义了链路层和网络层，网络拓扑为完全分布式、对等的网状网络。采用私有多径路由协议，能充分利用网络中的冗余路由，数据链路具有优异的自愈性的稳定性。网络不需要初始化节点上电可以立即进行无线通信，支持规模大、拓扑结构变化快的移动网络，是无线移动自组网的理想协议。所有节点都是平等的，都可以休眠。网络性能优异，易于部署，可裁剪性好、自愈性好。协议栈代码尺寸小、容错性高，即使出现供电等硬件故障也会在极短时间内自我恢复。凭借在诸多网络特性上的绝对优势，WaveMesh协议已经在很多行业中得到应用。

       WaveMesh移动自组网协议诞生于2007年，经过很多年的实际应用、经验积累，已经日趋完善成熟，形成了一系列完备的协议族和专业解决方案，目前已经在多个行业中处于领导地位。

2. 无线智能传感器网络技术简介

       无线智能传感器网络是一种无中心节点的全分布系统，通过随机投放的方式，众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些智能传感器节点有传感器、 数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。智能传感器节点借助于其内置的温度和湿度传感器，测量待测地区土壤的温湿度信息。智能传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据交换来完成全局任务。智能传感器通过无线网络，将采集到的数据发送到集中控制器，集中控制器将收到的数据保存到SD存储卡中，科技工作人员可随时取出SD卡，读取存储卡中的数据，用于科研分析。通过网关，智能传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信号实时回传给远程终端用户，做到实时监测的目的。

3. 系统模型设计

       通过分析无线自组网络技术和无线智能传感器技术，建立土壤温湿度智能系统模型结构。模型中监测系统由无线智能传感器监测网络和远程数据处理中心两部分组成。无线智能传感器监测网络由分布在待监测区域中的多个智能传感器节点组成，实时采集土壤温湿度参数。以WaveMesh无线通信协议组建自适应网络，所有节点数据最终路由到集中控制器，由集中控制器保存数据，或者路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过GPRS无线通信网络转发到远程数据中心，远程数据中心负责数据的接收、存储和分析。检测网络中的所有节点均采用大容量的锂电池供电。

WaveMesh无线智能传感器网络

       智能传感器节点是一个微型的嵌入式系统。对网关节点要求处理能力和运行速度都要比传感器节点强，故可选择具有丰富片上资源的STM32F103微处理器为核心，根据具体的功能要求，扩展硬件通讯接口。

4. 远程数据中心实现

       远程数据中心为一台具有固定公网IP地址的计算机，在其上运行的基站数据管理软件主要功能为：实现数据的接收，存储、分析和决策，以完成相应的控制过程。其功能模块可划分为： 数据接收模块、数据库存储模块、土壤温湿度随时间变化的分析模块。

四、技术特点

1. 移动自组网技术特点

      a. 分布式对等网络：整个检测网络没有中心节点，每个检测节点独立维护自己的路由信息，不需要检测节点之间进行路由绑定。检测网络中允许有多个集中器或网关设备。分布式网络具有健壮性好、组网速度快、网络拓扑变化敏感、网络容量大、成本低廉等明显优势；

     b. 网络容量大：检测网络规模没有上限，支持几万个检测节点的网络。检测节点地址长度1-16字节，支持IPV6协议；

     c. 检测节点任意移动：采用私有多径路由协议，可以充分利用无线信号的冗余，最大限度减少路由建立和维护过程的开销，能够在多条路径并行进行数据报文的发送，时刻进行新路由的发现，对网络拓扑结构的变化敏感，并对路由进行更新不需要进行洪泛，可以在不同路由之间无缝切换；

     d. 网路初始化时间为0：整个网路完全没有初始化的过程，检测节点上电后可以立即进行通信，检测节点可以随时加入、离开网络。

     e. 可靠的数据传输：所有数据传输都是按照点对点5次握手的方式进行，采用可靠的单播实现广播、多播。采用多次尝试、碰撞避免和拥塞控制及时，保证所有的数据报文都安全可靠抵达目标节点；

     f. 功耗低：多种休眠模式（同步、异步、混合和自主休眠），并且可以在不同休眠模式之间灵活切换。休眠检测节点之间可以进行双向可靠通信。采用重复发送报文方式安全迅速全网异步唤醒，检测节点被误唤醒的概率为0，唤醒延时固定；

    g. 抗干扰能力强：数据传输采用多个无线信道（一个主信道和多个辅助信道）。多个辅助信道之间采用跳频方式进行数据传输。当主信道受到干扰或冲突时，无线网络可以自动选择新的比较干净的信道作为主信道；

    h. 安全性好：可以有效抵抗虚假、篡改报文攻击，数据传输采用AES-128位加密，有效防止数据报文被监听的可能；

2. 土壤温度测量误差：±0.5℃。

3. 土壤湿度测量误差：±0.03m3/m3。

4. 检测节点间可视距离无线传输距离：1500米。

5. 检测节点使用大容量锂电池供电。如果检测地区采光条件好，可使用太阳能电池给锂电池充电，可有效延长锂电池供电时间。

 6. 可实时检测土壤温湿度，或者将检测的数据保存到SD存储卡中，需要时，取出SD卡，读取数据。