稻田土壤水分含量和水层深度的适度保持是水稻精准生产的一个重要前提。水是一种重要的资源,是陆地植物赖以生存的源泉。在稻田保持一定深度的水层,不仅可以保证水稻的生理需水,而且可以创造一个适宜于水稻生长发育的生态环境。但是长期保持水层又会对水稻带来不利影响:土壤中空气缺乏,有机质分解缓慢且不彻底;有毒物质增加,根系生长不良,吸收能力减弱;茎秆细弱,易倒伏;株间湿度过大,易引起水稻各种病虫害。因此,水稻种植已摈弃长期淹水的生产方式,而是采取“薄、浅、湿、晒”相结合的生产方式。为此,实时准确地测定稻田土壤水分和水层深度(后面统称为水分),科学地构建稻田水分信息采集网络系统,对提高水稻生长信息采集效率、提高水分利用的科学性、指导稻田的精细管理、维护稻田生态环境系统功能、节约水资源和水土保持均具有重要的意义。　　 无线传感器网络技术为大范围稻田水分信息采集提供了一种新的手段。传统的稻田水分信息采集方法基本都是大田采样,实验室分析,尽管可以很精确地测出某一位置稻田水分,但存在检测周期长、耗时长、同步性差、成本高等缺点。面对大范围周期性监测的趋势,需要一种更加高效的信息采集手段,以解决目前监测方法中存在的问题。无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)能够通过多种集成化微型传感器协作实时进行监测、感知和采集各种监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络将所感知信息传送到用户终端。将无线传感器网络应用于稻田水分信息采集研究,可利用其自维护、自组织、面向数据的特点,实时采集水分数据,并通过网络融合和传输,提供一个高效的水分数据采集平台,可以节约人力、物力和财力。　　 本研究探讨了构建稻田水分传感器网络(Paddyfieid Moisture Sensor Network,PMSN)的关键技术。发明了一种应用于稻田的无线频域水分传感器(Wireless Frequency Domain Moisture-content Sensor,WFDMS),并对传感器进行了软、硬件一体化节能设计;解决了传感器网络构建的关键技术问题,构建了大面积、大范围远程拓扑方案;提出了一种满足稻田水分采样频率和数据业务需求的低功耗可靠传输控制协议(Lower-power Reliable Transport Protocols for PMSN,LRTP-PMSN),开发了水分信息监测和分析的网络信息管理系统,实现了稻田水分传感器网络可靠运行的整套系统。论文主要工作包括以下五个方面。　　 (1)发明了一种能远距离操作与控制、低成本的无线频域水分传感器WFDMS。该传感器根据Hilhorst提出的基于频域测量原理而设计,集成了土壤水分和水层深度测量功能,可以进行无线计算和传输。该传感器包括传感器采集模块、处理器模块、通信模块和供电模块四大部分。其中,传感器采集模块由高频振荡子模块、分频子模块与比较器子模块依次串联组成,探针与高频振荡模块连接形成振荡电路,比较器模块连接到处理器模块,高频振荡模块与分频模块还连接至一供电模块;处理器模块的另一组端口与能实现节点与节点之间多跳的无线通信的通讯模块连接,各个节点之间形成自组织的无线传感器网络,通过无线网络协议与远程计算机终端进行通讯。传感器标定实验表明,本传感器在稻田土壤含水量25％以上到8cm水层深度范围内,对土壤水分含量测量误差不超过5％,对1～8cm水层深度测量误差不超过0.5cm。传感器成本降低至国内类似组合产品的20％左右。　　 (2)设计了一个适合大范围、远距离通信的稻田水分传感器网络拓扑模型。为使传感器网络能大范围、远距离运行,在分析稻田传感器网络通信能耗模型和传输时延模型基础上,通过多跳、多簇、GSM策略和Intemet Web数据库四大技术拓展了PMSN的应用范围和管理距离,提出了一个适合大范围、远距离通信的水分传感器网络拓扑模型,网络可以在连接Intemet的任何主机上进行监测和管理。　　 (3)设计了适合稻田管理应用的低功耗可靠传输控制协议。本文采用软硬件结合以及跨层设计的方法研究成功一种满足稻田水分采样频率和数据业务需求的低功耗可靠传输协议LRTP-PMSN,包括数据包格式设计、数据汇集、命令分发、同步控制、融合策略、可靠性控制、大规模应用查询优化控制等。　　 (4)开发了一套适合稻田水分传感器网络应用管理的软、硬件。包括对节点、簇首、基站、短信网关、计算机控制中心数据库服务器及应用终端六个部分的软硬件设计,设计了19个计算机控制算法。系统采集过程可以支持主动式采集和被动式采集两种方式,主动式采集是传感器节点周期性主动采集数据送回终端,被动式采集是查询式采集,用户可以随意采集选定节点的数据。　　 (5)开展了稻田水分监测实验。在从化从玉菜场的中稻、华南农业大学实验农场晚稻生长和雷州示范基地的晚稻生产中进行了稻田水分监测试验。传感器节点在3.6V/1200mAh电池供电下,在从化从玉菜场的水稻种植基地分别进行了间隔300s、0.5h、1h的采样生命期测试,节点生命期分别为51h、11d、20d;华南农业大学实验农场PMSN网络在3.6V/2100mAh电池供电下,4h周期采样实验中,节点生命期超过120d,是WFDMS和TDR920组合节点生命期的4倍以上,可以满足水稻生长期间全程监控不更换电池的需要。通过1h和4h的采样实验表明,在传输协议LRTP-PMSN的控制下,传感器、簇首、基站、短信网关、计算机间能够协同工作,整个稻田水分传感器网络可以较为可靠地运行。雷州基地实验表明,传感器节点在稻田中的可靠通信距离达到60m以上。　　 本文工作的创新性主要体现在低成本的无线频域水分传感器设计,大范围、远距离稻田水分传感器网络拓扑模型构建和应用于PMSN的低功耗可靠传输控制协议设计三方面。