我国农业用水的现状是水资源短缺且浪费严重,生产方式落后导致多地区依旧采用传统地面漫灌方式进行农田灌溉,灌溉水利用效率低,与发达国家相比仍有极高的提升空间。农田水分信息可靠感知、大范围实时获取与智慧化管理是实施现代精准农业的关键,对提高水分利用效率,节约水资源,促进高产优质水稻生产具有重要意义。本研究通过稻田田间试验,获取土壤剖面水分等观测数据,分析并提出了稻田土壤剖面水分高效感知方法,结合软硬件工程研制了稻田土壤剖面水分、作物冠层水分、田间水位信息感知传感器,集成研发了稻田水分信息感知和汇聚节点,构建了稻田无线传感网无线信道损耗模型,建立了基于模糊神经网络的稻田智慧灌溉控制系统,研发了稻田灌溉无线控制终端和软件系统,集成与实现了稻田智慧灌溉原型系统。研究成果将为稻田水分感知与灌溉提供可靠的信息感知关键技术和设备,突破低成本农业灌溉无线传感网的精确感知与智慧控制难题,为推动我国农业灌溉智慧化发展提供理论基础与技术支撑。首先,分析了稻田土壤剖面水分的时空变异特征及其分类,并通过路径分析法分析了土壤剖面水分传感的最敏感位置。发现土壤剖面水分感知敏感区集中在0-60 cm深度区域;稻田垂直剖面土壤水分深度可分为三种类型,分别为10-20 cm、30-40 cm、50-100 cm等三类;稻田垂直剖面土壤水分传感的最敏感位置位于20 cm、30 cm和50 cm处;基于敏感壤层土壤水分能反演出非敏感壤层处的土壤水分值,对土壤垂直剖面0-100 cm贮水量反演的决定系数R2为0.83;均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为0.49,且相对误差(Relative Error,RE)小于3%。为土壤剖面水分高效感知提供了新的方法。其次,基于高频电容原理、作物光谱监测原理、超声波测距原理研发了土壤剖面水分传感器、水稻冠层水分光谱感知传感器和稻田田间水位传感器。传感器精度试验结果表明:本研究土壤剖面水分传感器与Diviner2000便携式土壤墒情监测系统测量结果拟合R2均高于0.85,相对误差小于5%,对其他壤层的实测值与反演值拟合R2均高于0.8;本研究作物冠层水分传感器测得白板反射率与标准白板反射率的RE小于5%;作物冠层水分传感器测得RVI(815,900)值与水稻冠层含水率的相关系数R2为0.77,RMSE为0.32。田间水位传感器测试距离与实测距离相关系数为0.993,RMSE为1.05。实现了对20、30与50 cm深度壤层土壤水分的实时探测,对水稻冠层含水率的无损感知和田间水位的实时获取。接着,在研发稻田水分传感网感知节点和汇聚节点的基础上,分析了节点在不同传播距离上的路径损耗规律与变化趋势,对比分析了四种无线信道路径损耗模型在稻田环境下适用性,构建了稻田无线信道路径损耗模型。发现稻田环境下无线信道传播的衰减速度随生育时期进程逐渐加剧,传输范围随天线高度的变化单调递增;四种高度下自由空间模型和双射线模型的估测RE范围分别为6.48-15.49%和2.09-13.51%,不能直接用于稻田无线信道路径损耗的估测;三个生育时期单折线和改进的双折线对数距离模型估测RE分别为2.40-2.25%和1.89-1.31%,单折线和改进的双折线对数距离模型模对稻田无线信道建模具有较好的适用性。但改进的双折线对数距离模型估测RE值均小于2%,进一步提升了单折线对数距离模型的性能;信道模型性能仿真结果显示,改进的双折线对数距离模型丢失数据包的速度最慢,且丢失数据包的个数均低于双射线模型和单折线对数距离模型。最后,构建了基于模糊神经网络的稻田智慧灌溉控制系统,研发了稻田灌溉无线控制终端,开发了稻田智慧灌控制系统,集成与实现了稻田智慧灌溉原型系统的搭建;系统性能仿真显示,系统输出的预测值与实际值基本吻合,误差小于2%,模糊神经网络PID控制算法响应速度快,达到稳定值用时为2 s,能够满足稻田智慧灌溉控制系统的控制需求;节点性能试验显示,本研究的感知节点能耗低,能够实现能量自给。可以满足农田智慧灌溉对水分信息感知感知、网络稳健传输及灌溉控制的需求,为智慧灌溉提供了新的技术与设备。