土壤是农作物生长的重要物质基础,及时监测土壤含水率和土壤温度能够提高农作物品质和产量。为设计适用于生态无人农场的土壤监测设备,本文阐述了土壤环境监测系统研究现状,提出了基于无线传感网络的生态无人农场土壤环境监测系统。详细分析了土壤环境监测系统感知层、网络层、应用层三层结构的具体应用技术,设计了系统的总体方案。感知层根据生态无人农场农作物管理需求,设计了基于Lo Ra的小麦田无线传感网络,包括六个传感器节点和两个采集节点,采集节点由控制单元、传感器单元和供电单元组成,控制单元基于ESP32主控制器,使采集节点完成的主要任务包括多传感器任务调度、数据采集发送、节点休眠唤醒和OTA更新。网关节点由两个ESP32主控制器、Lo Ra模块、Wi Fi模块以及OLED显示屏组成,完成的主要任务包括频道配置、数据收发控制以及显示、存储处理。采用C++语言完成采集节点和网关节点的程序编写。网络层基于Lo Ra通信技术组成的无线传感网络,结合Wi Fi通信实现信号传输和数据交换。应用层由服务器和客户端组成,经服务器解析校验后写入SQL Server数据库和One NET云平台,从而实现土壤环境数据的远程查询和分析决策。本文进行了系统有效通信距离及相关影响因子测定试验。通信性能试验基于单节点有效通信距离进行,试验结果表明:实测信号强度衰减曲线拟合的Shadowing信号衰减模型决定系数大于0.95,在采集节点与网关节点相距600m远时,信号接收强度RSSI更容易受外界环境干扰。数据传输性能试验由多节点组建无线传感网络系统开展,从信号衰减程度和丢包情况来看,随通信距离增加,在超过一公里后,采集节点的载波频率为433MHz或434MHz时系统通信质量最好,丢包率小于3%。根据土壤环境空间异质性评估试验,土壤含水率的相对平均偏差MRD小于0.1,土壤温度的相对平均偏差MRD大于0.2。土壤温度比土壤含水率在空间上的分布均匀性要差。不同采集节点在同一土壤深处的土壤含水率或土壤温度的极差相近。本系统最小功耗为4W左右,具有性能稳定、数据可靠的优点,能够应用在无人值守的大型农田内,为作物田间管理和生长模型建立提供理论基础和数据支撑,对推动我国农业现代化的发展具有重要意义。