單 昕，甘守飛

宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，宿州，234000

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(Precision Agriculture, PA)是一種管理策略，主要是采用信息技術(shù)提高農(nóng)業(yè)的質(zhì)量和生產(chǎn)，同時(shí)減少對(duì)環(huán)境的影響及資源(能源，水)的浪費(fèi)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精細(xì)性、精確度，從而改善農(nóng)業(yè)管理[1]。目前精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)還處于探索的早期階段，仍然面臨著許多亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。例如，使用化肥、農(nóng)藥可大幅提高糧食產(chǎn)量，但缺乏使用后對(duì)土壤肥力和病蟲(chóng)害的科學(xué)監(jiān)測(cè)手段，缺乏快速有效的感知技術(shù)與設(shè)備，導(dǎo)致化肥、農(nóng)藥的盲目使用，不僅造成大量的資源浪費(fèi)，而且?guī)?lái)嚴(yán)重的土壤和環(huán)境污染。由于在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中所需應(yīng)用型傳感器品種較多且成本偏高，缺少標(biāo)準(zhǔn)化研究，因此產(chǎn)品尚未實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)規(guī)模效應(yīng)。當(dāng)前農(nóng)用傳感器在使用中存在條件多樣化、工作環(huán)境惡劣、電源供給不足及使用壽命較短等限制性因素，并且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地遠(yuǎn)離城市，公用性的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施較差，布置專用通信手段成本高，且存在頻譜兼容與干擾問(wèn)題等。近期研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)所存在的諸多問(wèn)題將會(huì)隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和發(fā)展而逐步得到解決。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、交通、醫(yī)療和農(nóng)業(yè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、提高糧食作物產(chǎn)量和減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)的最有利的方法之一。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在確保農(nóng)作物健康成長(zhǎng)的前提下，可最大限度地減少農(nóng)藥的使用，有效控制雜草和病蟲(chóng)害，實(shí)現(xiàn)高效的綠色精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中感知、采集各種信息變化的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并及時(shí)將數(shù)據(jù)分析與處理結(jié)果反饋于用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的高效管理[2]。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)示意圖

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展期間，主要使用含傳感器節(jié)點(diǎn)的電池供電。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。電池供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)包含由多個(gè)傳感器所組成的傳感器節(jié)點(diǎn)、處理器和射頻(RF)模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)通信鏈路無(wú)線通信，并經(jīng)網(wǎng)關(guān)通信將其數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到基站或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。通信可收集來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)各種傳感器從簡(jiǎn)單(即濕度，壓力和溫度)到復(fù)雜(即定位，跟蹤，微型雷達(dá)和圖像)的信息合并，傳送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中傳感器節(jié)點(diǎn)具有監(jiān)測(cè)、存儲(chǔ)、處理信息的功能，而通信將信息整合后發(fā)送到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的同時(shí)，還可用于其他農(nóng)業(yè)的應(yīng)用，如使用土壤養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)農(nóng)作物的健康狀況和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，通過(guò)觀察天氣條件(如溫度和濕度)和土壤濕度，預(yù)測(cè)灌溉規(guī)劃。相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)可添加到現(xiàn)有的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以改善參數(shù)農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)并擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。然而，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也存在一些問(wèn)題，如確定最佳部署方案、測(cè)量周期、路由協(xié)議、通信范圍、可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性等。傳感器節(jié)點(diǎn)的分散部署需要長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)收集，通信鏈路可能因信號(hào)衰減而被削弱或丟失。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，限于有限的電池功率，使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在功耗和延長(zhǎng)電池壽命等問(wèn)題。盡管多年來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用在不斷地增加，但由于電池制造業(yè)發(fā)展緩慢，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用受到限制。

為滿足電池功率放大器的要求，解決農(nóng)田和基站間距離長(zhǎng)的問(wèn)題，可將無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)與基站連接來(lái)建立移動(dòng)數(shù)據(jù)連接服務(wù)。這種連接允許傳感器節(jié)點(diǎn)將其數(shù)據(jù)中繼到農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的基站，可起到緩沖無(wú)線傳感器電池限制的作用。

2 農(nóng)業(yè)無(wú)線通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是萬(wàn)物互聯(lián)的革命，是把所有可以連接的東西連接起來(lái)，其中移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是基于當(dāng)前發(fā)展的蜂窩網(wǎng)絡(luò)LTE功能構(gòu)建的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可以共享LTE的頻譜而不存在干擾問(wèn)題，并可使用相同的設(shè)備無(wú)縫連接到LTE主網(wǎng)絡(luò)，支持所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，如安全性、跟蹤、策略、計(jì)費(fèi)和身份驗(yàn)證等功能。窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有極低的功耗，可延長(zhǎng)電池壽命達(dá)10年之久，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)具有低功耗、覆蓋面積廣、連接點(diǎn)多、成本低等特點(diǎn)[3]。在不久的將來(lái)，遠(yuǎn)距離無(wú)線電LoRa、SigFox等窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將因低功耗、長(zhǎng)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

2.1 遠(yuǎn)程無(wú)線電LoRa協(xié)議

LoRa是由LoRa聯(lián)盟推出的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。這一方案為用戶提供一種簡(jiǎn)單的能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長(zhǎng)電池壽命、連接點(diǎn)容量大的系統(tǒng)。目前LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行，包括433、868、915 MHz等[4]。

作為與室內(nèi)傳輸有關(guān)的低功耗和廣域物聯(lián)網(wǎng)(IoT)通信技術(shù)的協(xié)議棧， LoRaWAN的基本網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由LoRa終端設(shè)備、LoRa網(wǎng)關(guān)和LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器組成。 LoRa終端設(shè)備與使用LoRa和LoRaWAN的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信。 LoRa網(wǎng)關(guān)將LoRaWAN原始數(shù)據(jù)包從終端設(shè)備傳送到基于回程接口(通常為3G或以太網(wǎng))的高吞吐量的LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。因此，LoRa網(wǎng)關(guān)充當(dāng)與LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的雙向通信或協(xié)議適配器。在這種情況下LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)解碼，由LoRa設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組，并且創(chuàng)建將被引導(dǎo)回設(shè)備的幀。 LoRa提供一個(gè)端到端(M2M)WiFi或與蜂窩技術(shù)相匹配的雙向解決方案。同時(shí)LoRa能將電池或移動(dòng)設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)或終端設(shè)備，是一種低成本、高效益的方法。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用不同的傳感器、微控制器和LoRa無(wú)線協(xié)議可監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的土壤濕度和溫度、空氣溫度和濕度以及光照強(qiáng)度。 LoRa網(wǎng)關(guān)從LoRa節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)以構(gòu)建星型網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且可在長(zhǎng)距離通信范圍內(nèi)以高可擴(kuò)展性與云服務(wù)器進(jìn)行通信。

2.2 SigFox協(xié)議

SigFox是一種超低窄帶、長(zhǎng)距離、低功耗的無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，具有低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)。這一特點(diǎn)能降低終端傳感設(shè)備的能耗，提高電池的壽命。從而使該技術(shù)適用于物聯(lián)網(wǎng)或M2M連接方案[5]。

SigFox較低的數(shù)據(jù)傳輸量雖然有一定的局限性，但是帶來(lái)超低成本和更遠(yuǎn)傳輸距離的效果，為成本要求較高的公共網(wǎng)絡(luò)提供較好的解決方案。目前，SigFox已被用于包括智能電表、照明系統(tǒng)、安全和遠(yuǎn)程監(jiān)控。 國(guó)外SigFox網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用較多，常用于構(gòu)建一個(gè)地理定位系統(tǒng)，如在夏季將動(dòng)物定位在高山牧場(chǎng)，用定位系統(tǒng)幫助農(nóng)民定位放牧的牛。當(dāng)前，SigFox網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)也有較快的普及，2018年我國(guó)在成都等十幾個(gè)城市已經(jīng)同時(shí)開(kāi)展部署工作。

2.3 ZigBee無(wú)線協(xié)議

ZigBee協(xié)議被認(rèn)為是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的最佳侯選技術(shù)之一。由于其低占空比，ZigBee被認(rèn)為適用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用，例如灌溉監(jiān)測(cè)、水質(zhì)管理以及肥料和農(nóng)藥控制，所有這些應(yīng)用都需要實(shí)時(shí)更新信息。為擴(kuò)展通信距離，基于ZigBee協(xié)議技術(shù)，采用XBee模塊，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的傳感器節(jié)點(diǎn)可與路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在較遠(yuǎn)的范圍(約100米)進(jìn)行通信。在室內(nèi)ZigBee的通信距離可能會(huì)減少，但所部署的傳感器和路由器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量將增加，以覆蓋整個(gè)監(jiān)控區(qū)域。在溫室監(jiān)測(cè)上考慮溫室的關(guān)鍵參數(shù)(濕度、溫度、二氧化碳和太陽(yáng)輻射)，以確保植物舒適生長(zhǎng)。目前ZigBee協(xié)議和移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM/GPRS)技術(shù)主要用來(lái)監(jiān)測(cè)氣候條件和控制溫室。

使用ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)中的人工智能(即模糊邏輯控制器)，采用ZigBee無(wú)線協(xié)議，通過(guò)切換活動(dòng)狀態(tài)和睡眠狀態(tài)降低其功耗。 因此，功耗可被最小化，并且可延長(zhǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命。 ZigBee目前應(yīng)用于智能家居、果園監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化灌溉、溫室等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通用標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議由于其低功耗、低成本、自成型特性適于通信范圍，而被用于多種農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

2.4 藍(lán)牙無(wú)線協(xié)議

藍(lán)牙無(wú)線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)用于可移動(dòng)設(shè)備和便攜式設(shè)備(如筆記本電腦)之間，建立短距離約10米的通信鏈路。鑒于其在大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備中的普遍性和可用性，藍(lán)牙通信技術(shù)可滿足多層次農(nóng)業(yè)需求，例如天氣信息、土壤濕度、采用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 藍(lán)牙模塊采用綜合控制方法，根據(jù)土壤和氣候信息控制溫室灌溉系統(tǒng)，以提高田間生產(chǎn)力并節(jié)約用水。通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信協(xié)議實(shí)時(shí)收集現(xiàn)場(chǎng)信息。相對(duì)于傳統(tǒng)方法(即計(jì)時(shí)器控制策略)，使用藍(lán)牙技術(shù)的集成控制方法，用水量和電力效率提高了90%。由于其能耗低，廣泛的可用性和易用性，智能手機(jī)的藍(lán)牙通信技術(shù)已用于控制灌溉系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)土壤和氣候條件以及控制使用化肥和殺蟲(chóng)劑等領(lǐng)域。

2.5 WiFi無(wú)線協(xié)議

WiFi是目前便攜式設(shè)備中使用最廣泛的無(wú)線技術(shù)，包括平板電腦、智能手機(jī)、筆記本電腦和臺(tái)式機(jī)。WiFi在室內(nèi)和室外環(huán)境中分別具有約20 m到100 m之間的通信距離。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，WiFi通過(guò)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)連接多種類型設(shè)備，從而擴(kuò)展了不同的體系結(jié)構(gòu)。采用WiFi和3G無(wú)線技術(shù)作為移動(dòng)設(shè)備的農(nóng)業(yè)應(yīng)用手機(jī)，遠(yuǎn)程訪問(wèn)和短消息服務(wù)可用于控制和監(jiān)測(cè)受保護(hù)的作物?；赪iFi(IEEE 802.11g)的智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)被提出應(yīng)用在農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)方面，其系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：傳感器、路由器和服務(wù)器。監(jiān)測(cè)溫室或農(nóng)田的氣候條件，如濕度、溫度、氣壓、光照、水位和土壤濕度。WiFi的缺點(diǎn)在于持續(xù)接收信號(hào)需要消耗大量功率，且通信時(shí)間長(zhǎng)以及巨大的數(shù)據(jù)負(fù)載。盡管WiFi服務(wù)器采用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)可防止數(shù)據(jù)丟失，但受用戶數(shù)量和信號(hào)強(qiáng)度的影響，該技術(shù)并不適用于農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

2.6 GPRS/3G/4G技術(shù)

通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)是基于GSM的蜂窩電話的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種技術(shù)取決于共享相同通信信道和資源的消費(fèi)者的數(shù)量。使用GPRS模塊和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可開(kāi)發(fā)自動(dòng)作物灌溉系統(tǒng)，同時(shí)安裝在植物根區(qū)的傳感器可收集土壤溫度和濕度信息，因此使用該系統(tǒng)是改善水質(zhì)的比較實(shí)用的解決方案。WSN-GPRS網(wǎng)關(guān)充當(dāng)WSN和GPRS之間的橋梁，其中來(lái)自WSN的數(shù)據(jù)被傳送到數(shù)據(jù)管理中心。用GPRS配備，各種無(wú)線節(jié)點(diǎn)可測(cè)量和傳輸土壤，植物和大氣的信息。無(wú)線節(jié)點(diǎn)由于其獨(dú)立性和太陽(yáng)能的使用，具有無(wú)限的自主權(quán)。不同的傳感器可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程位置，使用平板電腦、移動(dòng)電話或計(jì)算機(jī)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析。所有農(nóng)業(yè)傳感器都連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)，可獲取農(nóng)業(yè)信息，這些信息被傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息的遠(yuǎn)距離傳輸[6]。

3 無(wú)線通信協(xié)議的性能比較

比較上述無(wú)線通信協(xié)議中不同的參數(shù)，包括功率消耗、通信范圍、數(shù)據(jù)率、成本、系統(tǒng)的復(fù)雜性和其它技術(shù)的參數(shù)，如圖2所示。解決農(nóng)業(yè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題往往是從部署范圍選擇中逐漸發(fā)展而來(lái)，例如當(dāng)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域被障礙物隔開(kāi)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男盘?hào)會(huì)衰減。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，功耗被認(rèn)為是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的另一個(gè)限制，ZigBee無(wú)線協(xié)議設(shè)計(jì)主要在短距離的通信范圍和低功耗下運(yùn)行，LoRa和SigFox能夠以低功耗和遠(yuǎn)距離無(wú)線電工作。上述技術(shù)的功耗和通信距離評(píng)估如下[6]。

圖2 不同的無(wú)線技術(shù)在功耗和通信距離方面的差異

Zigbee協(xié)議和藍(lán)牙低功耗專為解決電池供電設(shè)備而設(shè)計(jì)，這些技術(shù)通過(guò)低功耗循環(huán)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，并進(jìn)入睡眠模式以延長(zhǎng)電池壽命。經(jīng)典的BT，WiFi，GPRS，LoRa和SigFox比ZigBee具有更高的功耗。盡管ZigBee的通信范圍比LoRa，SigFox和GPRS短，但這個(gè)范圍可能是通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展以克服農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)部署限制。就功耗而言，低能耗藍(lán)牙的性能優(yōu)于ZigBee，但該無(wú)線協(xié)議在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中受到限制，因?yàn)樗耐ㄐ啪嚯x短。 ZigBee還具有比BT更高的網(wǎng)絡(luò)彈性，從而允許各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。鑒于在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有大量的節(jié)點(diǎn)(超過(guò)65,000個(gè))，ZigBee技術(shù)可用來(lái)覆蓋廣泛的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。

LoRa無(wú)線協(xié)議涵蓋了低功耗的大型通信領(lǐng)域，適用于廣闊的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。 LoRa協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受其占空比的限制，其中1%的占空比可導(dǎo)致每個(gè)終端設(shè)備的最大通信時(shí)間為36小時(shí)。 此外，LoRa網(wǎng)關(guān)的信息容量有限，在城市地區(qū)計(jì)劃外部署LoRa網(wǎng)關(guān)，每分鐘超過(guò)100條消息，干擾了SigFox等低功耗無(wú)線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。 因此，增加網(wǎng)關(guān)的數(shù)量可能會(huì)對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成挑戰(zhàn)。 此外，LoRa技術(shù)非常復(fù)雜且需要有相當(dāng)高的硬件支持。

與ZigBee和LoRa相比，SigFox具有極低的數(shù)據(jù)速率(100 bps)和較慢的傳輸時(shí)間(10個(gè)字節(jié)為10 s)。 SigFox支持由管理設(shè)備和基站之間連接的中央服務(wù)器監(jiān)督的星型拓?fù)?，而LoRa支持基于星型到星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的廣域網(wǎng)，從而創(chuàng)建LoRa網(wǎng)關(guān)的橋梁。鑒于數(shù)據(jù)速率和傳輸時(shí)間在任何通信系統(tǒng)中都是關(guān)鍵問(wèn)題，SigFox不適于廣泛用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用。 而且由于多個(gè)M2M設(shè)備可能在相同的區(qū)域中運(yùn)行，SigFox技術(shù)不支持碰撞避免方案，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)。 此外，SigFox由于其單向通信(無(wú)確認(rèn)信號(hào))和低接收功率，可靠性有限。因此LoRa和SigFox基礎(chǔ)架構(gòu)具有一定的相似性。

從以上數(shù)據(jù)分析，圖2顯示不同無(wú)線通信協(xié)議的性能比較與表1中的顯示結(jié)果有一定的一致性，ZigBee和LoRa無(wú)線協(xié)議已被確定為農(nóng)業(yè)應(yīng)用中最合適的無(wú)線協(xié)議，主要是因?yàn)樗鼈兊墓牡停?通信范圍(短程ZigBee，遠(yuǎn)程LoRa)，體積小，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

表1 無(wú)線通信技術(shù)參數(shù)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)使用傳感器、執(zhí)行器、處理器、無(wú)線收發(fā)器和其他信息技術(shù)，允許制造商對(duì)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)的特定地點(diǎn)管理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)化。在精度方面，農(nóng)業(yè)應(yīng)用無(wú)線協(xié)議改善了農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)。精確灌溉通常被認(rèn)為是優(yōu)化灌溉精度，能夠控制最佳水量和灌溉時(shí)間。與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，精確灌溉系統(tǒng)節(jié)水90%(基于ZigBee)，50%(基于藍(lán)牙)?；赯igBee的灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化將系統(tǒng)成本節(jié)約了1.24%，節(jié)能2.05%至8.21%，節(jié)水0.71%至6.46%[7]。應(yīng)用ZigBee無(wú)線協(xié)議的算法，監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面的預(yù)計(jì)準(zhǔn)確率為95.4%。應(yīng)用LoRa無(wú)線協(xié)議遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境能夠提高效率90%[8]?；赟igFox無(wú)線協(xié)議，灌溉節(jié)水約30%。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用分析，結(jié)果顯示，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)提高準(zhǔn)確性、效率以及降低各種無(wú)線協(xié)議系統(tǒng)成本等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。 因此與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以利用農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，改進(jìn)管理方式從而提高生產(chǎn)效率。

在WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、GPRS / 3G/4G、LoRa和SigFox等不同無(wú)線技術(shù)或協(xié)議之間進(jìn)行了能耗、應(yīng)用、傳輸方式以及傳輸距離的比較。比較結(jié)果表明，ZigBee和LoRa無(wú)線協(xié)議功耗低更適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。未來(lái)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究重點(diǎn)可能是解決農(nóng)業(yè)中的能耗問(wèn)題，主要總結(jié)如下：⑴選擇具有低成本、低功耗的設(shè)備；⑵開(kāi)發(fā)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議和節(jié)能應(yīng)用程序；⑶通過(guò)睡眠/喚醒策略降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)RF組件的功耗。