我国是一个农业大国,农业用水占总用水的60%以上,长期以来粗放式灌溉造成了大量的水资源浪费。为了提高用水效率,现代农业必须大力发展精准灌溉技术,更加精确的控制灌溉时机和水量大小。因此实现高精度、长时间的土壤水分监测,掌握土壤水分的变化规律是制定科学灌溉方案的重要依据和必要前提。然而目前传感器高成本与高能量需求限制了传感网络的大范围、高密度应用。针对这一问题,本文首先通过有限元法对传感探针的结构参数进行了仿真优化,设计了电容式土壤水分传感器,并针对三种土壤样本分别建立土壤电容-含水量模型;其次,通过理论分析介绍了双站反向散射通信的信号模型,确定了数据的编码方案、载波调制方式以及传输格式,提出了基于短时傅里叶变换的解调算法;最后,搭建了基于双站反向散射通信的土壤水分传感系统,对系统的主要功能进行了测试和初步应用。该传感系统实现了数据的无源无线传输,具有低成本和低功耗的特点,满足精准灌溉技术的需求。本文主要完成了以下四个方面的工作:1.基于土壤中各种物质介电特性的差异,采用有限元法对叉指型相邻电容传感器进行了优化,讨论了叉指对数和极板覆盖率对探针性能的影响。通过信号强度、灵敏度和穿透深度三项评价指标对不同结构参数的传感探针进行了比较,最终选择了8对叉指电极,60%极板覆盖率的传感探针,其灵敏度和穿透深度分别为2.31 p F和2.15 mm。2.基于卡庆斯基制土质分类方法制作了3种不同含沙量的土壤样本,进行了5个周期的土壤风干实验,分别建立了土壤电容-含水量模型。另外,研究了温度变化对土壤含水量测量的影响,对原始土壤电容-含水量模型进行了温度补偿。3.首先以理论公式推导的形式详细介绍了双站反向散射通信的信号模型,采用了更加适用于低功耗应用场景的频移键控法调制载波信号。其次使用了摩尔斯电码方案编码土壤数据,以及规定了数据的传输格式,在一次反向散射通信中,要求传感器依次发送起始信号、传感器编号、电容数据、温度数据和终止信号。最后根据反向散射信号的频谱特点,提出了基于短时傅里叶变换的解调算法。4.设计了新型土壤水分传感器,主要由控制模块、电容采集模块、温度测量模块和射频前端模块四部分组成。搭建了基于双站反向散射通信的土壤水分传感系统,采用频分多址技术实现了5个传感节点的组网应用。对系统的水分测量精度进行了评估,三种土壤样本的均方根误差分别为0.643%、0.844%和1.025%。在校园内测试了传感系统的通信距离,达到了33.6 m。