無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀信管30517-池騁1、引言無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有感知、計(jì)算和通信能力，正以一種“無(wú)處不在的計(jì)算”的新型計(jì)算理念：成為連接物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類社會(huì)的橋梁，并開(kāi)始廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境資源監(jiān)測(cè)、智能交通、智能家居和空間探索等多個(gè)領(lǐng)域，成為國(guó)際上信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景1。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的研究上，及時(shí)迅速地獲取相關(guān)信息是實(shí)施現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室人工采集分析方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息采集實(shí)時(shí)性的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以一種全新的信息獲取方式，能實(shí)時(shí)、快速地將監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種檢測(cè)對(duì)象的信息遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端用戶

2、(如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者)。管理者根據(jù)相關(guān)信息，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，及時(shí)準(zhǔn)確地做出決策和響應(yīng)，科學(xué)實(shí)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理。2、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)具有感知采集、計(jì)算處理、無(wú)線通信和自動(dòng)組網(wǎng)的能力，彼此相互協(xié)作，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。WSN系統(tǒng)構(gòu)架及特點(diǎn)圖1是一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架。傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理決策及終端用戶管理節(jié)點(diǎn)構(gòu)成2。分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)所監(jiān)測(cè)的信息進(jìn)行初步處理后，以多跳中繼的無(wú)線方式把數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后經(jīng)過(guò)衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等途徑到達(dá)終端用戶管理節(jié)點(diǎn)。終端用戶也可以通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感

3、器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)或收集處理回傳的信息3。上培罌節(jié)點(diǎn)，測(cè)區(qū)里冉鵬用戶管理節(jié)點(diǎn)(H.,|ih,lien,P)圖1傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)帶外圍傳感器的低功耗嵌入式MCU,電池供電，計(jì)算和通信能力有限。節(jié)點(diǎn)具有終端采集和路由雙重功能，除了進(jìn)行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對(duì)其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理和融合等處理。數(shù)據(jù)沿著節(jié)點(diǎn)逐跳進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳路由最后傳到匯聚節(jié)點(diǎn)4。匯聚節(jié)點(diǎn)又稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)較強(qiáng)，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet和GPRS等外部網(wǎng)絡(luò),可以將節(jié)點(diǎn)傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至外部網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也能發(fā)布用戶的

4、監(jiān)測(cè)任務(wù)至各個(gè)節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)具有增強(qiáng)功能的普通傳感器節(jié)點(diǎn)（足夠的能量供給、更多的存計(jì)算資源），也可以是一個(gè)僅帶無(wú)線通信接口沒(méi)監(jiān)測(cè)功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介在短距離無(wú)線通信技術(shù)中，藍(lán)牙、WIFI、超寬帶及ZigBee技術(shù)等均能應(yīng)用WSN,并展現(xiàn)出各自的應(yīng)用其中，ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于無(wú)線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中，其特點(diǎn)3為：1）自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee可容納多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，任意節(jié)點(diǎn)之間都可進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)有星型、簇樹(shù)型和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)加入、撤出或失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能。2）

5、工作頻段靈活，數(shù)據(jù)傳輸速率低。在868MHz,915MHz和2.4GHzdeng3個(gè)無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸率為20250kb/s,滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求。3）模塊功耗低。兩節(jié)5號(hào)干電池可以支撐一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用180-730天的時(shí)間，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。4）成本低。由于協(xié)議簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸率低且工作于全球免費(fèi)頻段，僅需要前期的模塊費(fèi)用。此外ZigBee還具有延時(shí)短、安全和可靠性好等特點(diǎn)，使得ZigBee與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)完美的結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的信息采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。3、WS電現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)

6、受到包括土壤的水分、有機(jī)質(zhì)含量、酸堿度、光照度和溫濕度等各種環(huán)境因素的影響?；趥鹘y(tǒng)人工測(cè)量和報(bào)送的信息采集模式滿足不了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的要求。如果在農(nóng)田中鋪設(shè)基于有線網(wǎng)絡(luò)的傳感系統(tǒng)，則不便于農(nóng)田的耕作，而且成本也較高，可靠性差。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能有效避免這些缺陷，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有如下優(yōu)勢(shì)：傳感器節(jié)點(diǎn)體積小，在農(nóng)田或溫室大棚里布置方便，不影響耕作；節(jié)點(diǎn)功耗低，在不更換電池的情況下能工作180-730天的時(shí)間，基本能覆蓋絕大部分農(nóng)作物的一個(gè)耕作周期；不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來(lái)入侵時(shí)干擾，特別適合于牲畜家禽及其棲息地的無(wú)人干擾監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)除了具有監(jiān)測(cè)功能外，還能實(shí)現(xiàn)定位；節(jié)點(diǎn)價(jià)格便宜，架設(shè)整套系統(tǒng)成本不高；

7、網(wǎng)絡(luò)的自組性、健壯性和抗毀性提供了快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能；適用于布線和電源供給困難的區(qū)域或惡劣環(huán)境中；網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)部署常年適用，維護(hù)簡(jiǎn)單。4、WSNZ用于農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問(wèn)題雖然WSN在農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域有了相當(dāng)多的應(yīng)有，（!由于它是一門新興的科學(xué)，其自身還有很多問(wèn)題有待深入研究和完善很多應(yīng)用還處于實(shí)驗(yàn)室理論研究驗(yàn)證階段，真正推廣還有很多實(shí)際問(wèn)題有待解決。其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化問(wèn)題，如何最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，仍需合理的能量均衡路由算法；二是系統(tǒng)成本問(wèn)題，盡管單節(jié)點(diǎn)成本不高，但在規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)搭建成本依然不菲；三是節(jié)點(diǎn)部署問(wèn)題，其合理性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率、連通率和節(jié)能等多個(gè)方面；四是在確保數(shù)

8、據(jù)的高度有效、可靠和安全等方面仍有待驗(yàn)證。5、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用目前無(wú)線技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，但大都是具有基站星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并不是真正意義上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)一般應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)題的位置，樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn)程控制的生產(chǎn)設(shè)備。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個(gè)無(wú)線葡萄園。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，每隔一分鐘檢測(cè)一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域的有害物的數(shù)量以確保

9、葡萄可以健康生長(zhǎng)，進(jìn)而獲得大豐收。澳大利亞的CSRIOICTCenter將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)安置在動(dòng)物身體上對(duì)動(dòng)物的生理狀況（脈搏、血壓等）和外界環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，研制成完善的草地放牧與動(dòng)物模型。以上是目前為數(shù)不多的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用事例，其實(shí)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些，下面分別提出一些簡(jiǎn)單的應(yīng)用思路和設(shè)想。溫室環(huán)境應(yīng)用在溫室環(huán)境里單個(gè)溫室即可成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)測(cè)量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和具有簡(jiǎn)單執(zhí)行機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)（風(fēng)機(jī)、低壓電機(jī)、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機(jī)構(gòu)）構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量土壤濕度、土壤成分、pH值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強(qiáng)度、CO2濃度等來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最佳條件

10、，同時(shí)將生物信息獲化，利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化，從而達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)方便、增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn),審戊,網(wǎng)后錄用配然方式.I過(guò)自用方式引囤.博豆便多戲部廳式傳播節(jié)水灌溉應(yīng)用具有簡(jiǎn)單控制功能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用電池供電通過(guò)相關(guān)的電源處理可以控制不同中小功率的直流電磁閥（電動(dòng)水動(dòng)電磁閥、減壓閥、調(diào)壓閥、安全閥及流量控制閥等），加上節(jié)點(diǎn)的休眠狀態(tài)將網(wǎng)絡(luò)的工作時(shí)間延長(zhǎng)到一年以上，如果采用太陽(yáng)能電池板供電，能源方面就不需要過(guò)多的考慮。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間同步等特點(diǎn)，使灌區(qū)面積，節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受到限制，

11、可以靈活增減輪灌組，加上節(jié)點(diǎn)具有的土壤、植物、氣象等測(cè)量采集裝置、通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與RS和GP或術(shù)結(jié)合的灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信息采集分析技術(shù)、作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)?？稍跍厥?、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)化、模式化、集成化，促進(jìn)節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健康發(fā)展6。環(huán)境監(jiān)測(cè)及動(dòng)植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)過(guò)布置多層次的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)牲畜家禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖、稀有動(dòng)物的生活習(xí)性、環(huán)境、生理狀況及種群復(fù)雜度進(jìn)行觀測(cè)研究，也可用于對(duì)森林環(huán)境監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警（平時(shí)節(jié)點(diǎn)被隨布在

12、森林之中，平常狀態(tài)下定期報(bào)告環(huán)境數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同合作會(huì)在很短的時(shí)間將火源的具體地址、火勢(shì)大小等信息傳送給相關(guān)部門）。同時(shí)也可以應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土壤的酸堿度和施肥狀況等。6、結(jié)語(yǔ)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了多種先進(jìn)技術(shù)，為人們提供了一種全新的信息獲取、信息處理方式被認(rèn)為是影響人類未來(lái)生活的重要技術(shù)之一。盡管它在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)?；瘧?yīng)用上還是受到一定的限制，但其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中體現(xiàn)出的自動(dòng)化、無(wú)線化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的理念展現(xiàn)了美好的應(yīng)有前景，非常值得深入研究。同時(shí)也給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。本文通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)、研究熱點(diǎn)及在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的介紹，可見(jiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)國(guó)家和社會(huì)意義重大，國(guó)外對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正熱烈開(kāi)展，希望本文引起國(guó)同行對(duì)此方面的重視，早日將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。參考文獻(xiàn)1許力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和優(yōu)化M.:電子工業(yè)，2010。2喬曉軍，馨，王成等。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2005,21(s):232-234。3遜學(xué)，