土壤风蚀是导致中国北方干旱、半干旱地区生态系统退化的重要原因。围绕土壤风蚀进行的野外观测、风洞实验等研究获得了空前的发展。由于土壤风蚀自身物理机制极其复杂,且具有时间上的突发性、空间上的无边界性以及难以重复等特点,导致风蚀监测数据误差较大,各研究结果之间差异明显,可比性不够强。

因此,将无线传感网络技术应用于土壤风蚀研究中,研制稳定可靠的能实时采集风蚀数据的土壤风蚀监测设备,建立高效、专业的土壤风蚀监测系统,提高观测数据的连续性、科学性与可靠性,满足复杂多变的野外风蚀监测需求,是研究土壤风蚀亟需解决的问题,也是目前土壤风蚀研究的热点与难点。针对目前土壤风蚀测试与监测方法存在的劳动强度大、风蚀监测数据不稳定、跨区域尺度内无法实时采集风蚀数据等缺点与不足,综合无线传感网络技术、传感器技术、电子信息技术和计算机技术等现代理论与技术,在研制具有自组网和自动数据采集处理功能的多通道风速廓线仪和集沙仪的基础上,建立了基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统,实现了土壤风蚀区域环境温度、湿度、大气压力、近地表风速廓线和风沙流结构等数据的实时采集、处理和传输。设计了无线传感网络分层体系结构,建立传感器节点与汇聚节点的优化部署模型,研究了基于数据流的应用层低功耗数据访问策略,从而实现低功耗、高可靠性的数据采集与传输。该监测系统通过在研究区域内有序布设多个观测点,可对风蚀指标进行长期定位观测,为实现跨区域、大尺度的土壤风蚀实时监测提供了理论与技术依据。

主要研究结论如下：1.利用恒温法测量原理,在FS5热敏探头的基础上,研制了具有体积小、功耗低、强度高且测量精度高等特点的风速传感器,并研究了硬件温度补偿电路、传感器信号处理算法及对流场品质影响较小的L型探头外壳等。通过对硬件部分进行独立测试与优化,降低了因电路缺陷而导致的误差积累及精度不足等问题；采用风洞实验方法对传感器组进行标定,确定了传感器的输出特性曲线；采用较小二乘法对标定数据进行5次多项式拟合,8路传感器的曲线拟合度均在0.999以上。实验结果表明：该传感器的连续稳定工作时长达7.2小时,上电至输出稳定时长不超过8s,风速响应时间2～3s；0～6m/s风速下的测量精度不低于0.05m/s,较大输出电压偏差小于10mv,6～16m/s风速下的测量精度不低于0.13rm/s,较大输出电压偏差小于30mv。

2.研制了集成温湿度传感器、大气压力传感器、8路风速传感器、单片机系统及无线传输模块的低成本无线数据采集器及具有无线自组网功能的低功耗多通道风速廓线仪,实现了环境温度、湿度、大气压力及距地表2、4、8、16、23、32、45和64cm高度处风速的自动采集、处理与无线传输。研究了风速数据的同步采集处理算法,并通过风洞实验分别在4、6、8、10、12和14m/s风速下对风速廓线仪进行测试。标定后的风速廓线在高度上符合指数分布,能够准确反映近地表风速的垂直分布规律。3.按照相似理论研制了可以抗强风干扰,具有无线自组网功能,气流分流对冲与多级扩容组合降速的多通道自动集沙仪;采用高精度悬臂称重传感器研制了具有自动称重功能的集沙单元及传感器信号调理电路,利用均值法与阈值限定相结合的方法有效消除了外部噪声信号和环境风速突变对称重系统的干扰。该集沙仪可实时采集传输距地面2、8、19、32、36、49、53和66cm高度上的土壤风蚀量。结果显示：称重传感器组具有极好的线性度,可实现0-180g的测量范围,精度达0.01g,连续10小时的累积误差不超过±0.04g；在0-15m/s的风速作用下,排沙口的较大风速小于0.56m/s,降速比达到96%以上；在环境温度分别为-19.4℃和4.2℃的条件下,集沙仪的无线传输距离在280m以上,零丢包率通信距离在210m左右；在风洞中心风速为6m/s和14m/s时,8个集沙单元的等动力性均在91.9%和91.3%以上；集沙仪在6、9、12、15和18m/s风速下的平均集沙效率为91.7%。

4.构建了基于无线传感网络的土壤风蚀监测系统,以星型网络拓扑结构为基础,建立传感器节点与汇聚节点的优化部署模型,采用433MHz无线数传模块和单片机技术研制了底层终端自组网数据采集设备；设计了无线传感网络分层体系结构及自组网指令系统,并编写了具有自组网功能的底层网络通信协议；研究了网络节点的数据包结构、无线数据通信机制、网络全覆盖方案、独立数据处理机制及应用层低功耗访问策略等,实现了低功耗、高可靠性的数据采集、处理和无线传输功能。采用“同步采集、异步传输”和“轮询数据访问”方法,解决了传感器节点数据同步采集和汇聚节点接收“瓶颈”等问题；采用GPRS无线通信技术连接远程服务器,实现了底层网络与远程客户端的数据传输与监测功能。

5.采用模块化编程思路,以LabVIEW编程语言为基础设计了多功能客户端数据处理软件,集成了自组网协议模块、互联网数据分析模块、数据处理模块、图形显示模块、数据库模块等。采用USB无线数传模块在客户端PC上直接实现了无线自组网数据采集、处理功能；通过UDP数据通信方式实现了客户端与远程服务器数据库间的数据访问、读取、下载和实时处理等功能；同时,完成了风速廓线及风沙流结构曲线的实时解算与绘制,并对处理后的数据进行存储。

6.多个监测区域可同时与服务器建立数据传输,软件系统根据GPRS设备识别码实现被测区域的实时数据处理；通过在客户端运行多个数据处理软件,可实现多个被测区域的同步监测功能。野外实验结果显示：在无线空中传输速率为2、10、25和50kbps时,底层网络的较大有效通信距离分别为260、210、125和65m；对一个由6个测点组成的网络,自组网系统建立时间不超过5s,汇聚节点可在3s内实现一次节点遍历和数据汇聚,其零丢包率数据传输距离达210m以上；风速廓线节点和集沙仪节点单次较大工作时长不低于6h和22h；可满足大尺度、跨区域土壤风蚀实时监测的需求。