向模軍， 鄒承俊

(成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院， 成都 611130)

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必須增加糧食生產(chǎn)才能滿足全球如此大量的人口。為解決這一問題，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域正在應(yīng)用新技術(shù)和新的解決方案，以提供收集和處理信息并提高生產(chǎn)力的最佳選擇。此外，令人擔(dān)憂的氣候變化和缺水現(xiàn)狀，要求出現(xiàn)新的提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)[1-6]。目前這類技術(shù)主要包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)、通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)。

這些技術(shù)中，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要是應(yīng)用WSN改進(jìn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方法[7-11]。WSN的研究起步于20世紀(jì)90年代，它是由電池供電的傳感器互連組成的網(wǎng)絡(luò)，通過無線媒介完成部署以服務(wù)于特定的應(yīng)用目的(見圖1)。這些傳感器利用先進(jìn)的微電子機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)技術(shù)使得其自身變得小巧便宜。這種傳感器獨(dú)特的操作性質(zhì)，以及自組織的小型節(jié)點(diǎn)，可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效的技術(shù)，使WSN成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化目標(biāo)的一個(gè)可行的解決方案，在植物生長優(yōu)化、農(nóng)田監(jiān)測(cè)、溫室氣體監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程管理以及農(nóng)作物安全等方面的應(yīng)用潛力巨大[12-19]。

圖1 農(nóng)業(yè)應(yīng)用中典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成

在農(nóng)業(yè)中，目前大部分基于WSN的應(yīng)用都是針對(duì)具體的問題。例如，用于環(huán)境的WSN，對(duì)土壤養(yǎng)分信息進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，隨著時(shí)間的推移預(yù)測(cè)作物健康和生產(chǎn)質(zhì)量[7]。WSN在灌溉調(diào)度中的應(yīng)用主要通過監(jiān)測(cè)土壤水分和天氣條件來實(shí)現(xiàn)[10]?；诳蓴U(kuò)展性，只需要通過增加傳感器節(jié)點(diǎn)，就可改進(jìn)現(xiàn)有的WSN的應(yīng)用程序以監(jiān)控更多的參數(shù)[20]。這些應(yīng)用程序中存在的問題主要是最佳部署策略的確定、測(cè)量間隔、節(jié)能介質(zhì)訪問和路由協(xié)議[21]。例如，具有長數(shù)據(jù)收集的節(jié)點(diǎn)的稀疏部署間隔有助于提高網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。但是，也可能出現(xiàn)其他挑戰(zhàn)。例如，如果字段區(qū)域被分隔，那么障礙物就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減進(jìn)而影響節(jié)點(diǎn)間的通信。

因此，為了使WSN更好地為農(nóng)業(yè)服務(wù)，需要對(duì)現(xiàn)有WSN技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行調(diào)查，分析WSN在改進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量的使用特點(diǎn)，對(duì)其布置方式和通信技術(shù)等進(jìn)行分類，討論WSN技術(shù)在土壤、環(huán)境、植物生長和沼氣工程等中的潛在應(yīng)用。

1 兩類廣泛應(yīng)用的WSN

1.1 地面無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Terrestrial Wireless Sensor Network，TWSN)

在TWSN中，節(jié)點(diǎn)被部署在地面以上。MEMS技術(shù)的進(jìn)步使得智能，小尺寸，但成本低的傳感器被創(chuàng)建。這些強(qiáng)大的傳感器支持傳感器節(jié)點(diǎn)或微塵準(zhǔn)確收集周圍的數(shù)據(jù)。基于傳感到的信息，這些節(jié)點(diǎn)內(nèi)部形成網(wǎng)絡(luò)以完成應(yīng)用要求。在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，可通過TWSN部署實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化。有研究提出了一種使用TWSN和GPRS模塊的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，其所用傳感器通過確定土壤的含水量，共同決定灌溉的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)長[15]。

1.2 無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Underground Sensor Networks，WUSN)

另一大類WSN是它的地下配套設(shè)備—無線地下傳感器網(wǎng)絡(luò)(WUSN)。在這個(gè)類型中，無線傳感器種植在土壤中。埋于地下使得高頻遭受嚴(yán)重的衰減，相反低頻則能夠穿透土壤[22]。因此，通信半徑受到限制，網(wǎng)絡(luò)則需要更多的節(jié)點(diǎn)來覆蓋較大的區(qū)域。有線傳感器的應(yīng)用可增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)需要相對(duì)較少數(shù)量的傳感器。但是，在有線這種設(shè)計(jì)下，傳感器和電線可能容易受到農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響。

1.3 兩大類WSN的區(qū)別

TWSN和WUSN具體的區(qū)別見表1。

表1 TWSN和WUSN的區(qū)別

2 WSN在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的使用特點(diǎn)

WSN成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化生產(chǎn)工具主要基于其以下幾方面的顯著特點(diǎn)。

(1)智能決策能力：WSN具有多跳特性，在大范圍內(nèi)，該特性提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源效率，從而延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。使用此功能，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以相互協(xié)作，共同作出最終決定[23-25]。

(2)動(dòng)態(tài)拓?fù)渑渲茫簽楣?jié)省節(jié)點(diǎn)內(nèi)電池電量，傳感器節(jié)點(diǎn)大多數(shù)時(shí)間都處于“睡眠模式”。使用拓?fù)涔芾砑夹g(shù)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以協(xié)作地做出睡眠決定。為了最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期，配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟允沟米钚?shù)量的節(jié)點(diǎn)保持在活動(dòng)模式[26-29]。

(3)容錯(cuò)：部署WSN的一個(gè)常見挑戰(zhàn)是傳感器節(jié)點(diǎn)容易出錯(cuò)。在這種情況下，節(jié)點(diǎn)的計(jì)劃外部署可能會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，從而影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。然而，在對(duì)策中，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)“自組織”[30-31]。

(4)情境感知：基于感知到的關(guān)于物理和環(huán)境參數(shù)的信息，傳感器節(jié)點(diǎn)獲得關(guān)于周圍情境的信息。此后傳感器節(jié)點(diǎn)所做的決定是基于上下情境的[32]。

(5)可擴(kuò)展性：通常，無論WSN協(xié)議的大小和節(jié)點(diǎn)數(shù)量如何，WSN協(xié)議均可在任何網(wǎng)絡(luò)中實(shí)施。該功能無疑擴(kuò)大了WSN在眾多應(yīng)用中的潛力。

(6)節(jié)點(diǎn)異質(zhì)性：WSN通常被認(rèn)為是由均勻傳感器連接的設(shè)備組成。然而，在許多現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，這些設(shè)備在處理和計(jì)算能力、存儲(chǔ)器、感測(cè)能力、收發(fā)器單元和移動(dòng)能力方面是異構(gòu)的[33-35]。

(7)在惡劣的環(huán)境條件下對(duì)通信故障的容忍度：由于在開放式農(nóng)業(yè)環(huán)境中廣泛的應(yīng)用，WSN受到惡劣環(huán)境條件的影響。WSN協(xié)議包含的技術(shù)可以承受由于環(huán)境改變而引起的網(wǎng)絡(luò)通信故障[4]。

(8)自動(dòng)操作模式：WSN的一個(gè)重要特征是其自動(dòng)操作模式和適應(yīng)性。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，這個(gè)功能當(dāng)然起著重要的作用，并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單而先進(jìn)的操作模式[36-37]。

(9)信息安全：WSN攜帶有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的原始信息。為了確保信息的安全性，WSN提供了訪問控制機(jī)制和異常檢測(cè)來限制未認(rèn)證的用戶[38]。

3 WSN在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用

下面列出WSN在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可能的潛在應(yīng)用。

(1)灌溉管理系統(tǒng)：現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需要改進(jìn)灌溉管理系統(tǒng)來優(yōu)化農(nóng)業(yè)用水。地下水位的驚人降低是另一個(gè)農(nóng)田需要先進(jìn)灌溉系統(tǒng)的動(dòng)機(jī)。在這種情況下，微灌技術(shù)具有成本效益和用水效率高的特點(diǎn)。但是，根據(jù)環(huán)境和土壤信息，可以進(jìn)一步改善微灌效率。在這方面，WSN被用作協(xié)調(diào)技術(shù)[15, 17, 39-41]。

(2)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)：目前，農(nóng)業(yè)中使用各種改進(jìn)的系統(tǒng)和設(shè)備。而用于管理這些設(shè)備的改進(jìn)系統(tǒng)(如WSN)簡化了整體操作并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。此外，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有助于改善大型農(nóng)業(yè)工程(如沼氣工程)的管理。再通過輸入諸如衛(wèi)星圖像和天氣預(yù)報(bào)之類的附加信息，可以改善系統(tǒng)整體性能[42]。

(3)病蟲害防治：控制農(nóng)藥和化肥的使用有助于提高作物質(zhì)量，并最大限度地降低農(nóng)業(yè)成本。但是，為了控制農(nóng)藥濫用，我們需要監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中病蟲害的發(fā)生概率。為了預(yù)測(cè)這一點(diǎn)，需要周圍的氣候信息，如溫度、濕度和風(fēng)速。WSN可以自主監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)這些參數(shù)。

(4)肥料的使用控制：植物生長和作物質(zhì)量很大程度上取決于肥料的使用。然而，找到最佳肥料供應(yīng)量是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。但是，通過監(jiān)測(cè)土壤營養(yǎng)物質(zhì)的變化，如N，P， K和pH值可以實(shí)現(xiàn)土壤營養(yǎng)平衡，作物生產(chǎn)質(zhì)量也可得以保持。

(5)牲畜運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)：可以使用WSN技術(shù)或無線射頻識(shí)別器監(jiān)測(cè)一群牲畜，實(shí)現(xiàn)對(duì)牲畜的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并了解是否有牲畜在植被附近移動(dòng)[43-44]。

(6)地下水質(zhì)量監(jiān)測(cè)：化肥和農(nóng)藥的使用量增加導(dǎo)致地下水質(zhì)量下降，通過無線通信放置傳感器節(jié)點(diǎn)有助于監(jiān)測(cè)水質(zhì)[45, 46]。

(7)溫室氣體監(jiān)測(cè)：溫室氣體與農(nóng)業(yè)密切相關(guān)。溫室氣體提高環(huán)境溫度，從而對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)生直接影響。另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)如糞便等有機(jī)物的發(fā)酵又排放溫室氣體。有研究介紹可利用太陽能無人駕駛飛行器和 WSN系統(tǒng)監(jiān)測(cè)溫室氣體—甲烷和二氧化碳[18]。

(8)資產(chǎn)追蹤：采用無線技術(shù)可以遠(yuǎn)程追蹤農(nóng)業(yè)設(shè)備資產(chǎn)。使用者可以從家中追蹤農(nóng)用車輛和灌溉系統(tǒng)的位置[47]。在農(nóng)業(yè)工程方面，如沼氣工程，也可以實(shí)現(xiàn)如原料收儲(chǔ)運(yùn)車輛，沼渣沼液運(yùn)輸車輛等工程設(shè)備的全追蹤。

(9)沼氣工程遠(yuǎn)程控制和診斷：隨著物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，遠(yuǎn)程控制和診斷沼氣工程設(shè)備，例如，泵、燈、加熱器、機(jī)械閥門也是可能的[48]。

4 WSN在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中使用的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前，WSN在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中使用的主要有無線通信技術(shù)和節(jié)能技術(shù)。其中無線通訊技術(shù)主要有ZigBee，WiFi，藍(lán)牙，GPRS/3G/4G，WiMAX等，每一類技術(shù)都建立了一定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，表2對(duì)這些通信技術(shù)做出了比較。而節(jié)能技術(shù)主要包括太陽能、水流能、空氣能和微生物燃料電池。

4.1 無線通信技術(shù)

(1)ZigBee：此技術(shù)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層和MAC層來定義網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層協(xié)議，這些定義是使用低功耗無線設(shè)備設(shè)計(jì)無線局域網(wǎng)所必需的。作為節(jié)能，低成本和可靠的ZigBee技術(shù)，它在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的WSN應(yīng)用中是首選。ZigBee還支持通過多層、分散、特設(shè)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的短距離(10 m～20 m)數(shù)據(jù)通信。支持ZigBee的設(shè)備具有低工作周期，因此適用于農(nóng)業(yè)應(yīng)用，如灌溉管理，農(nóng)藥和肥料控制，水質(zhì)管理，需要定期更新信息。但ZigBee有一個(gè)較大的缺點(diǎn)，其應(yīng)用在868/915 MHz和ISM頻段的2.4 GHz頻率下分別只產(chǎn)生20 kbps～40 kbps和250 kbps的低數(shù)據(jù)速率。通常，該標(biāo)準(zhǔn)要求低規(guī)格的硬件(例如具有50 kb～60 kb存儲(chǔ)器的微處理器)并且包括安全加密技術(shù)[49, 50]。

(2)WiFi：WiFi是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)系列(IEEE 802.11,802.11a / b / g / n)的無線局域網(wǎng)(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)，用于信息交換或無線連接到互聯(lián)網(wǎng)。目前，它是從智能手機(jī)和平板電腦到臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備中使用最廣泛的無線技術(shù)。WiFi提供20 m(室內(nèi))至100 m(室外)的良好通信范圍，數(shù)據(jù)傳輸速率在ISM頻帶的2.4 GHz頻率處為2 Mbps～54 Mbps。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，WiFi拓展了通過ad-hoc網(wǎng)絡(luò)連接多種類型設(shè)備的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的使用。

(3)藍(lán)牙：基于IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙是一種低功耗，低成本的無線技術(shù)，用于短距離(8 m～10 m)的便攜式設(shè)備和臺(tái)式機(jī)之間的通信。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)定義了使用ISM頻段的2.4 GHz頻率的個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通信。各種藍(lán)牙版本的數(shù)據(jù)速率范圍為1 Mbps～24 Mbps。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其無處不在的性質(zhì)，因此它適用于多層農(nóng)業(yè)應(yīng)用。該標(biāo)準(zhǔn)的超低功耗，低成本版本被命名為藍(lán)牙低功耗(BLE)，該技術(shù)最初于2006年由諾基亞作為Wibree推出。但是，在2010年，BLE與主要藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)版本4.0合并。BLE還使用具有自適應(yīng)跳頻的2.4 GHz ISM頻段來減少干擾。此外，BLE在所有數(shù)據(jù)包中都包含24位CRC和AES 128位加密技術(shù)，以確保靈活性和身份驗(yàn)證。BLE拓?fù)渲С忠粚?duì)一以及設(shè)備之間的一對(duì)多連接。

(4)GPRS/3G/4G：GPRS是用于基于全球移動(dòng)通訊系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication，GSM)的蜂窩電話的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在2G系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了50 kbps～100 kbps的數(shù)據(jù)速率。但是，在GPRS中，吞吐量和延遲是可變的，并且取決于共享相同資源的其他用戶的數(shù)量。盡管GPRS帶來的最大優(yōu)勢(shì)是緩解了無線設(shè)備的范圍限制。任何兩個(gè)設(shè)備都可以通信，只要它們都位于GSM服務(wù)區(qū)。但是，它更適合定期監(jiān)測(cè)應(yīng)用，而不適用于實(shí)時(shí)跟蹤型應(yīng)用。GPRS的高級(jí)版本(3G和4G)提供了更高的數(shù)據(jù)速率，3G和4G是第3代和第4代移動(dòng)通信技術(shù)。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率分別為3G和4G中的200 kbps和100 Mbps～1 Gbps。

(5)WiMAX：WiMAX是全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)的縮寫，無線通信標(biāo)準(zhǔn)是指IEEE 802.16標(biāo)準(zhǔn)系列的可互操作實(shí)現(xiàn)。WiMAX的目標(biāo)是在固定臺(tái)站實(shí)現(xiàn)0.4 Gbps～1 Gbps的數(shù)據(jù)速率，使用該技術(shù)的最大傳輸距離為50公里。移動(dòng)WiMAX(IEEE 802.16e標(biāo)準(zhǔn))提供大約50 Mbps～100 Mbps數(shù)據(jù)速率。此外，據(jù)稱WiMAX在4G之前的長期評(píng)估(LTE)和高速分組接入(HSPA +)演進(jìn)中具有高能效。遠(yuǎn)程支持和高速通信功能使WiMAX成為農(nóng)業(yè)應(yīng)用的最佳技術(shù)，涉及資產(chǎn)監(jiān)控，如農(nóng)業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控，作物區(qū)域邊界監(jiān)控以及遠(yuǎn)程控制水泵，燈光等實(shí)時(shí)診斷，耕作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程診斷[51]。

表2 WSN中不同通信技術(shù)的比較

4.2 節(jié)能技術(shù)

4.2.1 太陽能

基于光伏系統(tǒng)和方法的太陽能可用于基于WSN的農(nóng)業(yè)應(yīng)用。太陽能電池為確保農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了一個(gè)很好的解決方案。太陽能電池能源已被多項(xiàng)研究用于為農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的傳感器節(jié)點(diǎn)提供長期能源[52-53]。

4.2.2 水流能

利用作物灌溉系統(tǒng)管道中的水流能量，為ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生能量。這個(gè)方法可應(yīng)用于不同的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，例如溫室，水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培系統(tǒng)，因?yàn)樵谶@些系統(tǒng)中管道中的水循環(huán)是連續(xù)的[54]。與體積龐大的水力發(fā)電設(shè)施原理一樣，可將管道中的水流的運(yùn)行連接到小型直流發(fā)電機(jī)的渦輪機(jī)。

4.2.3 空氣能(風(fēng)能)

風(fēng)能是另一種可用于向傳感器節(jié)點(diǎn)供電的能量收集技術(shù)。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮自適應(yīng)路由協(xié)議，風(fēng)能收集和睡眠調(diào)度，以最小化通信網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器的功耗并延長WSN的生命周期。

4.2.4 微生物燃料電池

另一種能量收集技術(shù)被稱為微生物燃料電池。這項(xiàng)技術(shù)是從微生物燃料電池這種能源中立系統(tǒng)中提取能量以供應(yīng)傳感器和其低功耗的微控制器和無線協(xié)議，可用于監(jiān)測(cè)潛水區(qū)、自流井和水箱的水位[55]。

5 結(jié)論

通過引入新的需求，將WSN融入到推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)環(huán)保工程(如沼氣工程)的行列中，是目前的大勢(shì)所趨。本文對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用WSN的最新技術(shù)進(jìn)行了全面的回顧。本文介紹了WSN的兩大類型—地面WSN和地下WSN，強(qiáng)調(diào)了 WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用特點(diǎn)，以及它們解決各種農(nóng)業(yè)問題的潛力。并對(duì)WSN的不同通信技術(shù)作出比較，并列出了未來可重點(diǎn)關(guān)注的節(jié)能技術(shù)。目前應(yīng)用WSN作為解決方案的最先進(jìn)技術(shù)是灌溉管理，農(nóng)作物疾病預(yù)測(cè)和葡萄園精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代技術(shù)的出現(xiàn)，創(chuàng)新高效的WSN系統(tǒng)還有很大的應(yīng)用空間，但降低成本也非常關(guān)鍵?？傮w而言，WSN這些應(yīng)用程序的成功需要未來的預(yù)先規(guī)劃，并需要特別關(guān)注其在中低收入國家的應(yīng)用問題。