1. 课程导入与项目全景

无线土壤墒情监测节点，是把“土壤含水率”这一物理量，变成可远程读取、可长期运行、可批量部署的数据终端的完整小型嵌入式系统。它通常被埋在作物根区附近，周期性测量土壤体积含水率，通过无线链路把数据送到网关或云平台，供灌溉决策使用。本课程围绕这样一个节点，从需求分析、器件选型、电路设计、固件开发、无线通信、低功耗管理到现场部署与运维，逐层展开。

先建立应用场景的直观认识。以华北平原冬小麦灌溉为例：一块约 50 亩的地块，按 20～30 亩布设一个监测点，通常设置 2～3 个节点，分别代表不同土壤质地或灌溉分区。节点埋深以主要根系活动层为准，小麦拔节期约 20 cm、30 cm 两个深度各布一支传感器较为常见。灌溉决策关心的不是某一时刻的绝对值，而是根区含水率的下降趋势：当 20 cm 层含水率降到田间持水量的 60%～65% 时触发灌溉，这个阈值就是节点数据要支撑的核心判断。示例中田间持水量按 0.32 m³/m³ 估算，则触发值约为 0.19～0.21 m³/m³。这些数字属于教学示例，实际布点与阈值需依据当地土壤参数测定确定。

从系统组成看，一个节点可以拆成五个功能域。第一是传感域：土壤水分传感器（电容式或频域反射式为主）、土壤温度传感器，必要时加 EC 或 pH。第二是采集与处理域：以低功耗 MCU 为核心，负责激励、采样、滤波、标定换算与本地存储。第三是无线通信域：LoRa、NB-IoT 或 Wi-Fi 均可，农田场景以 LoRa 或 NB-IoT 更常见，前者适合自建网关、后者适合直接入公网。第四是能源域：锂电池加太阳能板，配合充放电管理与电压监测。第五是结构与防护域：IP67 以上防护外壳、灌封或防水透气膜、防雷与防腐蚀处理。下图给出这五个功能域之间的供电与数据关系。

开发流程上，本课程不按“先学完所有理论再动手”的线性方式组织，而是采用“需求—设计—实现—验证—部署”的迭代闭环。第一阶段明确指标：测量范围、精度、采样周期、续航、通信距离、防护等级与成本上限。第二阶段完成硬件设计：传感器接口（电容式多为激励+ADC 或直接数字输出）、MCU 最小系统、无线模组外围、电源树与保护电路。第三阶段开发固件：驱动层、采样与标定、数据帧协议、低功耗状态机、异常处理。第四阶段联调验证：台架标定、功耗实测、通信距离与丢包率测试、防水与长期漂移观察。第五阶段现场部署与运维：布点、埋设、网关覆盖核查、数据质量巡检。

课程任务总览可以概括为四个可交付物：一是一块能独立工作的节点样机；二是一套可复现的固件工程，包含采样、通信与低功耗三条主线；三是一份标定与测试记录，说明精度和功耗是如何被验证的；四是一份部署与运维说明，让节点能在真实田块中稳定运行一个生长季。后续章节将围绕这四件交付物逐步展开，每一章都会落到具体的器件、参数、代码或测试方法上。