趙靜, 王 巖, 楊淼, 譚秀蘭

(①成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都,610106;②黑龍江工程學(xué)院電子工程系,黑龍江 哈爾濱,150050;③西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川 成都,610500)

0 引言

自物聯(lián)網(wǎng)的概念一提出就受到國(guó)內(nèi)外各界的高度關(guān)注,此后研究者們圍繞這個(gè)主題,展開(kāi)研究。隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化和信息技術(shù)的發(fā)展,以及政府對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)研究和開(kāi)發(fā)的高度重視,物聯(lián)網(wǎng)已近在全世界已經(jīng)掀起了科技和經(jīng)濟(jì)的熱潮,其應(yīng)用也逐步開(kāi)始走向市場(chǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景,在軍事國(guó)防、城市管理、家庭醫(yī)療、電子商務(wù)、智能交通、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、病蟲害監(jiān)測(cè)和其他領(lǐng)域方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[1-2]農(nóng)作物病蟲害是嚴(yán)重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一,發(fā)生嚴(yán)重時(shí),可以造成農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)和使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)變劣,影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量及身體健康水平的提高。帶有危險(xiǎn)性病蟲害的農(nóng)產(chǎn)品既不能出口出境,也不能在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)銷售,制約了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,甚至直接影響中國(guó)的糧食和食品安全。目前病蟲種類繁多,且同一類危害性強(qiáng)的害蟲可能嚴(yán)重影響多種農(nóng)作物生產(chǎn)。就該種情況而言,對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲的監(jiān)測(cè)與防治將是一個(gè)重點(diǎn)研究的課題,由于農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)的研究還處于初步階段,具體的實(shí)際應(yīng)用還不夠成熟,這項(xiàng)研究將是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。然而,最新提出的物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,通過(guò)布置具有傳感功能的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),將能很好的對(duì)農(nóng)業(yè)中病蟲害進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概述

物聯(lián)網(wǎng)就是通過(guò)無(wú)線射頻識(shí)別(RFID,Radio Frequency Identification)、傳感器、全球定位系統(tǒng)(GPS,Global Positioning System)等各種設(shè)備,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信,實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)現(xiàn)物與物之間的通信時(shí),融合了傳感器、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體等技術(shù)。從產(chǎn)業(yè)和用戶角度體等多種技術(shù)看,其核心是“物物互聯(lián)”,即從利用先進(jìn)的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信來(lái)說(shuō)叫物聯(lián)網(wǎng),從技術(shù)支撐角度來(lái)說(shuō),它又叫傳感網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)物物通信,就必須要對(duì)物體上信息進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)、采集并且傳輸終端。而對(duì)于信息的感知,可以采用兩種方法：①利用 RFID射頻技術(shù)在感知對(duì)象上貼上標(biāo)簽,以對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別和采集,并將信息傳送到RFID系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng);②將傳感器節(jié)點(diǎn)嵌入到需要關(guān)注和采集信息的地點(diǎn)或物體中,通過(guò)具有傳感、信號(hào)處理的無(wú)線信息采集節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān),再借助 Intemet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。

2 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)中的結(jié)構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,基于農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測(cè)這個(gè)特殊的系統(tǒng),主要采用的是上述提到的第二種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蟲害信息的監(jiān)測(cè)和采集。那么節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和選擇將是整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。從農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)上看,其關(guān)鍵主要分為四大類：網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)信息的采集、傳感技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)智能化處理。

該系統(tǒng)由傳感信息節(jié)點(diǎn)、通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、信息服務(wù)終端以及監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成,體系結(jié)構(gòu)[3]如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2.1 無(wú)線傳感信息節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及能耗特性

基于農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感信息節(jié)點(diǎn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的最重要的組成部分,由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊以及電源模塊四部分組成,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。

每一個(gè)傳感信息節(jié)點(diǎn)的各個(gè)模塊能耗特性各不相同,其中無(wú)線通信模塊能耗最多。由于該節(jié)點(diǎn)主要是采用能量有效的電池供電,且節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、分布廣,不能夠通過(guò)更換電池的方式來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。因此,在搭建整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí),首要考慮的是節(jié)點(diǎn)的能耗,采取優(yōu)化的節(jié)能策略。

為了降低各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的能耗,可以選用兩種途徑：一是在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)時(shí),選用優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的低能耗的無(wú)線通信模塊,以提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。二是采用低能耗的動(dòng)態(tài)功率管理技術(shù)(DPM,Dynamic Power Management)和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(DVS,Dynamic Voltage Scaling)[4],這兩種能量管理與調(diào)節(jié)技術(shù)可以有效的降低空閑節(jié)點(diǎn)的處理器和各組件能耗。

2.2 系統(tǒng)基本的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

針對(duì)所研究的農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害這個(gè)特殊體系,提出了一種基于傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù) GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)等技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為三個(gè)網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測(cè)區(qū)信息采集終端即網(wǎng)絡(luò)感知層、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)終端處理層組成。

網(wǎng)絡(luò)感知層：傳感信息節(jié)點(diǎn)分布在被監(jiān)測(cè)區(qū)域的每個(gè)角落,能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感節(jié)點(diǎn)定時(shí)的對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行一次有害病蟲數(shù)量的檢查,并將采集到的信息在節(jié)點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行初步處理以后,沿著其他節(jié)點(diǎn)逐跳傳送到匯聚節(jié)點(diǎn),再通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層：該傳輸層功能是將匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的信息,在通過(guò)無(wú)處不在的通信網(wǎng)絡(luò),即 Internet、衛(wèi)星、移動(dòng)通信網(wǎng)等接入到物聯(lián)通信網(wǎng)上去,并結(jié)合合理有效的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議,將數(shù)據(jù)安全可靠的傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

數(shù)據(jù)終端處理層：它是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸信息的終端,即計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)中心將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以后提供給用戶。此時(shí),用戶可以借助“云計(jì)算”將所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的處理和分析農(nóng)業(yè)上病蟲害情況,并做出是否予以處理的決定。

2.3 害蟲監(jiān)測(cè)技術(shù)

由于該系統(tǒng)中的信息節(jié)點(diǎn)由多種害蟲監(jiān)測(cè)傳感器組成,那么其監(jiān)測(cè)技術(shù)將與節(jié)點(diǎn)息息相關(guān)。傳統(tǒng)害蟲監(jiān)測(cè)手段主要是依據(jù)昆蟲間化學(xué)通訊和物理學(xué)反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的,應(yīng)用廣泛的是性誘劑和黑光燈。但這存在的嚴(yán)重不足時(shí)耗時(shí)、消耗大量的人力和物力且害蟲數(shù)據(jù)質(zhì)量差等,為克服這些不足,依據(jù)對(duì)害蟲群密度獲取方式,并結(jié)合傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù),采用現(xiàn)代信息技術(shù)[5]對(duì)不同種類的害蟲自動(dòng)監(jiān)測(cè)和計(jì)數(shù)?？梢圆捎糜?jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、聲音信號(hào)技術(shù)、傳感器技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)、遙感技術(shù)等。

3 物聯(lián)網(wǎng)中的安全策略

在整個(gè)農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,一個(gè)重要環(huán)節(jié)之一是數(shù)據(jù)在傳輸,因?yàn)閿?shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中很容易受到攻擊、篡改、數(shù)據(jù)沖突、堵塞、重發(fā)等,那么保障數(shù)據(jù)的安全性和可靠性將是一個(gè)核心的問(wèn)題?；谵r(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制從兩個(gè)角度[6]進(jìn)行研究：①?gòu)木S護(hù)路由安全的角度出發(fā),尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全,可以采用兩類手段——利用密鑰系統(tǒng)建立起來(lái)的安全通信環(huán)境來(lái)交換路由信息和利用冗余路由傳遞數(shù)據(jù)包;②是把重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面,可以使用安全網(wǎng)絡(luò)加密協(xié)議(SNEP,Sensor Network Encryption Protocol)和基于時(shí)間的高效的容忍丟包的流認(rèn)證協(xié)議 μTESLA等。

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)注意的問(wèn)題

究。雖然最后就該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特殊性,提到了兩點(diǎn)注意事項(xiàng),但是并沒(méi)有進(jìn)行深入的研究,然而對(duì)數(shù)據(jù)信息處理的每一過(guò)程中,數(shù)據(jù)的可靠性對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言,將是至關(guān)重要的,這將是日后研究的重點(diǎn)。

任何一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要達(dá)到真正的實(shí)用和普及的目的,需要注意以下問(wèn)題：

①可靠性：由于農(nóng)業(yè)區(qū)域都是范圍廣大、條件復(fù)雜的環(huán)境,要對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的害蟲進(jìn)行監(jiān)測(cè),除了考慮安全的硬件設(shè)備以外,另一個(gè)關(guān)鍵部分是保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,以得到可靠數(shù)據(jù);

②經(jīng)濟(jì)性：就目前農(nóng)業(yè)害蟲信息監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀來(lái)看,需要加強(qiáng)對(duì)這方面的研究,但是開(kāi)發(fā)和研究也應(yīng)該考慮整個(gè)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性,這樣的系統(tǒng)才能被推廣。

5 結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),將為農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測(cè)從示范到具體應(yīng)用的研究搭建一個(gè)很好的系統(tǒng)框架。首先對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹,而后搭建了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)害蟲信息監(jiān)測(cè)這個(gè)系統(tǒng),并重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次功能及特性進(jìn)行了分析和研

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