土壤水分，是指在特定的土壤中所含水分多少的状况。它是土壤自身的重要组成物质之一，也是农田作物生长生育的基本条件。如何实现土壤水分信息的快速和有效获取以及信息传输的低成本和高可靠性，突破传统土壤水分监测手段存在的监测范围小、人工依赖性大和监测困难等不足，是现代农业工程中的一个重要研究内容。本课题把传感器检测技术、无线传感器网络技术与和计算机Web应用软件开发等技术相结合，研究无线传感器网络技术在柑橘园土壤水分远程监测应用中的关键性基础问题，开发柑橘园土壤水分远程监测系统，实现对土壤水分信息的自动采集、无线传输、实时监测、网络发布和远程监控等功能，既解决了传统监测手段的种种不足和诸多困难，又为应用该技术对农田环境进行远程监控提供理论基础和技术支撑。完成的主要研究内容包括：　　 (1)首先通过分析柑橘园土壤水分远程监测应用需求及特点，分析和比较多种现有的蓝牙和GSM等通信协议，选择基于ZigBee协议作为柑橘园土壤水分远程监测系统无线传感器网络的组网标准，基于该协议的无线传感器网络具有低功耗、低速率、低成本等特点，在农业工程等许多领域已经得到了广泛的应用。　　 (2)设计实现了面向实际应用的柑橘园土壤水分远程监测系统。系统分为三个子系统：数据采集与传输子系统、数据存储与管理子系统、基于Web的监测中心管理子系统。系统采用具有ZigBee无线数据传输功能的XBee-PRO模块和ECH2O型土壤水分传感器EC-5为核心组成传感器节点，部署于柑橘园内的各个传感器节点实现了对地表下三个不同深度的土壤水分信息采集、预处理和无线发送等功能，通过基于ARM9的嵌入式网关与Internet网络连接，采集数据传输至远程Web主机，远程监测中心系统实现对采集数据分析处理和系统运行的远程、实时监测。系统运行结果表明：收包率最小为96.8％，无数据传输错误。　　 (3)通过分析柑橘园土壤水分远程监测系统自身硬件平台、系统功能模块之间通信要求，在ZigBee协议栈的基础上，利用C＃语言设计开发了切实可行的节点通信协议。作为远程主机与传感器节点通信的一个接口，该通信协议为有效地实现远程主机与传感器节点之间的数据通信提供了基础。运行结果表明统通信稳定、可靠。　　 (4)提出了基于分簇的数据预测传送协议(CDPT)，在系统初始化阶段把部署区域快速分成多个簇，随后以权衡节点自身能量消耗比和度作为选择簇头节点的依据，这时候的重新选举簇头节点变成了一种局部触发的行为，由于重新选举簇头节点只在簇内进行，这大大减少了重新选举簇头节点的复杂性和计算负载。在簇内数据传送阶段，利用土壤水分数据在时间上的相关性，在满足误差范围许可的条件下，采用数据预测传送机制将预测模型参数传送给簇头节点，该机制有效地减少了数据传送的次数。理论分析表明CDPT簇形成算法的消息和时间复杂度均为O(1)，说明算法的开销较小，与网络的规模n无关。仿真实验结果表明在簇头节点能耗方面CDPT明显优于LEACH算法。　　 (5)研究了柑橘园中无线电信号的传播特性及路径损耗。在柑橘园内进行无线电路径损耗实验，测量不同的发射及接收节点高度、不同的信号传输距离及不同的发射功率影响因素下的接收信号强度。实验结果表明各影响因素对柑橘园无线路径损耗均有显著影响。相同的影响因素条件下，发射功率为0dBm、2dBm和4dBm时测量到的路径损耗平均值分别为79.54dB、81.23dB和82.43dB，路径损耗平均值随发射功率增大而增加；相同的发射功率条件下，当发射器和接收器的高度都为3m测量到的路径损耗相比发射器和接收器的高度为1m或2m时测量到的路径损耗小。　　 (6)开展了数据收包率实验，对各影响因素作用下得到的收包率与相同影响因素下得到的路径损耗进行了Pearson相关分析。分析结果表明，相同的影响因素条件下的收包率与路径损耗之间具有高度相关性，其Pearson相关系数最小值为-0.85。通过分析最差及最优收包率与各影响因素间关系，将收包率达到90%作为可靠通信判断标准，实验结果表明柑橘园内无线传感器网络节点间可靠通信距离为50m。