陶夢(mèng)江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

陶夢(mèng)江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。我國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)走向自動(dòng)化，高效率，高精度的機(jī)械化，智能化生產(chǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的運(yùn)用是推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走向智能化、自動(dòng)化的最可行的方法之一。

無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；農(nóng)業(yè)自動(dòng)化

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究背景以及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，90年代末，美國首先出現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）。WSN是由布置在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)以無線通信方式形成一個(gè)多跳的無線自組網(wǎng)（Ad hoc），其目的是協(xié)作的感知，采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者是WSN的三要素。將Ad hoc技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，人們可以通過WSN感知客觀世界，擴(kuò)展現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。WSN技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

2 WSN技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的應(yīng)用

2.1 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展過程受到了社會(huì)以及自然兩方面的影響。我國是農(nóng)業(yè)大國，建國初期，為了解決糧食供應(yīng)短缺問題，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，注重產(chǎn)量，當(dāng)前我國溫飽問題基本得到解決，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)該用經(jīng)濟(jì)效應(yīng)來衡量，注重產(chǎn)業(yè)效率，我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相當(dāng)?shù)穆浜?，仍然靠人力、畜力耕種，限制了勞動(dòng)力，提高了生產(chǎn)成本。因此我國農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)走向自動(dòng)化，高效率，高精度的機(jī)械化，智能化生產(chǎn)。

2.2 WSN技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

2002年，英特爾公司在餓勒岡建立了世界上第一個(gè)無線葡萄園，將無線傳感器結(jié)點(diǎn)人工分布在葡萄園中，對(duì)園中土壤的溫度以及養(yǎng)分含量等作物生長條件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠(yuǎn)程農(nóng)作物管理決策平臺(tái)，該平臺(tái)利用了WSN技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的溫度、濕度、光照等信息的監(jiān)測(cè)。北京市“蔬菜生產(chǎn)智能化網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”項(xiàng)目，將WSN應(yīng)用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。將溫室作為一個(gè)監(jiān)控區(qū)，使用WSN技術(shù)對(duì)溫度、PH值、含水量、光照強(qiáng)度等進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)溫室條件進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到農(nóng)作物生長的最佳條件，增加作物產(chǎn)量。在大規(guī)模部署傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)可以通過飛機(jī)播撒，人工設(shè)置，火箭彈射等方式部署在預(yù)設(shè)區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有的實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，無線通信特點(diǎn)，使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有很大發(fā)展前景。典型應(yīng)用如下：

1）農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)

我國是個(gè)貧水國家，水資源總量居世界第4位，人均僅為第121位。農(nóng)業(yè)用水占總用水量的七成，但我國農(nóng)田灌溉十分落后，水的實(shí)際利用率很低，浪費(fèi)嚴(yán)重，與發(fā)達(dá)國家相比仍有差距。采用自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，在土壤中人為安放水分傳感器、溫度傳感器，對(duì)農(nóng)作物的生長條件進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際，進(jìn)行自動(dòng)供水和自動(dòng)按一定順序進(jìn)行灌溉。

2）溫度自動(dòng)調(diào)控

蔬菜生產(chǎn)中，溫室生產(chǎn)規(guī)模正在逐步擴(kuò)大，傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)成本高，移動(dòng)性差等問題很突出。近年來，節(jié)能高效的WSN技術(shù)正在溫室監(jiān)控領(lǐng)域興起?；赪SN的溫度監(jiān)控系統(tǒng)由匯聚節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。將傳感器分布在溫室中監(jiān)控溫室內(nèi)土壤溫度、濕度、PH值、光照強(qiáng)度等，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到匯聚結(jié)點(diǎn)，匯聚結(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將命令通過無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給調(diào)控節(jié)點(diǎn)，調(diào)控節(jié)點(diǎn)根據(jù)所得命令對(duì)灌溉設(shè)備、加熱器等進(jìn)行控制，改變溫室條件。匯聚節(jié)點(diǎn)還可接受人工控制，與互聯(lián)網(wǎng)連接，使用戶可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 WSN在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

3.1 WSN實(shí)際應(yīng)用中的問題

在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，節(jié)點(diǎn)工作環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大，節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，在保證網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的同時(shí)，要考慮網(wǎng)絡(luò)成本，為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，傳感器的施放位置很難定位，節(jié)點(diǎn)能量有限，節(jié)點(diǎn)可能會(huì)失效，WSN在實(shí)際應(yīng)用中的問題如下：

1）網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大

節(jié)點(diǎn)必須盡可能大規(guī)模高密度部署，保證監(jiān)控區(qū)域的覆蓋范圍和連通度，否則無法實(shí)施網(wǎng)絡(luò)的自組和數(shù)據(jù)匯聚，而大規(guī)模組網(wǎng)，使生產(chǎn)成本增加，降低了經(jīng)濟(jì)效益，影響網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用。

2）對(duì)于網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)的解決

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各傳感器網(wǎng)絡(luò)所監(jiān)控到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常關(guān)鍵。及時(shí)了解節(jié)點(diǎn)的狀況，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)容性處理對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響十分重要，而網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)所要處理的問題主要是節(jié)點(diǎn)檢測(cè)和節(jié)點(diǎn)恢復(fù)。節(jié)點(diǎn)檢測(cè)則需要GPS對(duì)其定位，若在大范圍的布置GPS設(shè)備，會(huì)提高成本，保證節(jié)點(diǎn)定位同時(shí)保證經(jīng)濟(jì)效益是需要解決的問題。節(jié)點(diǎn)恢復(fù)，常常用冗余的節(jié)點(diǎn)替換失效的節(jié)點(diǎn)功能的方法解決，但對(duì)冗余節(jié)點(diǎn)的位置與數(shù)量有一定要求。

3.2 WSN的關(guān)鍵技術(shù)

由WSN的結(jié)構(gòu)特殊性，對(duì)于WSN在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該掌握以下關(guān)鍵技術(shù)：

1）節(jié)點(diǎn)定位

定位技術(shù)是位置未知節(jié)點(diǎn)根據(jù)少數(shù)參考節(jié)點(diǎn)，根據(jù)特定的機(jī)制確定自身位置，包括節(jié)點(diǎn)自定位和網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)定位跟蹤。節(jié)點(diǎn)自定位是指確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)自身位置，是部署組網(wǎng)的基本要求。目標(biāo)定位跟蹤通過網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間的配合完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中特定目標(biāo)的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點(diǎn)自定位的基礎(chǔ)上。常用方法用三邊測(cè)量法，三角測(cè)量法和極大似然估計(jì)法。

2）與其它網(wǎng)絡(luò)的融合

WSN與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)融合將大大提高WSN的實(shí)際應(yīng)用功能，將WSN與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、Inter網(wǎng)融合，一方面WSN可以借助著兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；另一方面可以利用傳感信息實(shí)現(xiàn)新的發(fā)展。

4 結(jié)論

WSN絡(luò)融合了嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)等現(xiàn)有的先進(jìn)技術(shù)，自主實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信息的采集、傳輸和處理，是一種有廣泛發(fā)展前景的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為人們提供了一種全新的信息采集、信息處理和信息利用的方法，具有自主性，實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。文章通過對(duì)WSN的組成、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的簡介和其在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用實(shí)例，說明WSN在推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中的作用。

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