董暐

摘要：指出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準農(nóng)業(yè)發(fā)展中的重要作用，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用特點、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸技術(shù)等關(guān)鍵問題，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了簡要綜述，并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)今后的發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò);精準農(nóng)業(yè);環(huán)境控制;無線通信技術(shù);節(jié)點部署

我國是農(nóng)業(yè)大國，過量施肥等現(xiàn)象導(dǎo)致的農(nóng)田污染、環(huán)境惡化、生物多樣性破壞等問題十分嚴重，如何增加單位面積農(nóng)田產(chǎn)量的同時減少對環(huán)境的破壞，保證農(nóng)業(yè)的可持續(xù)生產(chǎn)，是擺在我國人民面前的一個難題。精準農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)為解決這一難題提供了有效途徑，其核心內(nèi)容就是利用信息技術(shù)，對目標的相關(guān)信息進行獲取和分析，從時間、空間和方法等方面對不同情況的對象進行差異化管理。其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks， WSN）擔負著信息獲取的重要任務(wù)，是精準農(nóng)業(yè)體系中不可或缺的組成部分，因此，研究適合我國國情的農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以科學、準確、高效地獲取信息，為精準農(nóng)業(yè)的研究和發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、減少環(huán)境污染，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精細化管理，對加快我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程具有重要意義。

1農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

在精準農(nóng)業(yè)體系中，環(huán)境信息的獲取是最基本的組成部分，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又是其中使用最為廣泛的技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和基站，傳感器節(jié)點由傳感器、微處理器、存儲器和收發(fā)器等部件組成，具有計算和通信能力，以近距離無線的方式連接，從而形成多跳的無線網(wǎng)絡(luò)[1]。精準農(nóng)業(yè)中典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要負責農(nóng)業(yè)環(huán)境信息獲取、農(nóng)作物生長數(shù)據(jù)采集等工作，因此，應(yīng)根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點和農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)獲取的要求來進行設(shè)計和規(guī)劃，主要包括以下幾個方面。

1.1傳感器網(wǎng)絡(luò)成本低、功耗小、使用簡單

由于農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用對象主要是農(nóng)民和涉農(nóng)企業(yè)，受農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益制約，沒有過多的資金投入，因此，要盡可能地壓縮成本，而且由于傳感器使用數(shù)量較多，其功耗也是不容忽視的問題，使用低功耗的產(chǎn)品可以節(jié)省一大筆開支，應(yīng)考慮用戶的實際情況，在使用上力求簡單，用戶能夠快速掌握。

1.2傳感器適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，長期使用性能穩(wěn)定

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有多樣性，存在農(nóng)田、溫室等多種場景，傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署不能影響作物的正常生長和日常農(nóng)事活動，農(nóng)田中還要考慮供電方式和網(wǎng)絡(luò)接入等問題。傳感器還要能適應(yīng)高溫、高濕等惡劣環(huán)境，保證長期使用的穩(wěn)定性。

1.3設(shè)計具有農(nóng)業(yè)特色的數(shù)據(jù)采集算法

農(nóng)業(yè)類數(shù)據(jù)的采集是一個長期的、持續(xù)的過程，需要獲取大量數(shù)據(jù)，而農(nóng)作物生理和環(huán)境參數(shù)比較特殊，特別是設(shè)施種植的作物，其數(shù)據(jù)大多具有連續(xù)性、階段性、周期性等特點，因此在采集算法的設(shè)計上要充分考慮到數(shù)據(jù)相關(guān)性、冗余度等因素，研究適合的數(shù)據(jù)采集、融合算法[2]，以提高數(shù)據(jù)獲取效率，節(jié)省存儲空間、保證傳輸速度。

1.4合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和性能設(shè)計

農(nóng)業(yè)WSN主要應(yīng)用于農(nóng)田和設(shè)施2種典型場景，而2種場景差異明顯，因此要有針對性地進行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集具有采集頻率高、參數(shù)種類多、數(shù)據(jù)量較小等特點，傳輸距離根據(jù)場景不同有比較大的差距，因此在WSN的選擇上，要合理選擇網(wǎng)絡(luò)傳輸模式，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性和穩(wěn)定性。

2農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

早期的傳感器網(wǎng)絡(luò)以同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)為主，在觀測區(qū)域內(nèi)放置同種類型的傳感器節(jié)點，各節(jié)點通過多跳中繼將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚點，再通過互聯(lián)網(wǎng)等方式傳送到管理中心，由用戶進行管理和控制，傳感器節(jié)點在功能、能量方面都比較弱，網(wǎng)絡(luò)只能進行單一的數(shù)據(jù)采集操作，可擴展性差，無法應(yīng)對隨時增加的監(jiān)測需求。異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)很好地解決了上述問題，這種網(wǎng)絡(luò)中不僅包含普通的傳感器，還有功能更為強大的高級傳感器節(jié)點，高級傳感器除了有更長的續(xù)航時間，還有較為強大的計算能力，可以對收集的數(shù)據(jù)進行整理、融合和轉(zhuǎn)發(fā)等操作。因此，目前新建的農(nóng)業(yè)WSN，大多以異構(gòu)方式進行網(wǎng)絡(luò)組建。

WSN的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為信息采集、信息處理和信息應(yīng)用3個部分。信息采集部分主要由傳感器節(jié)點組成，能耗較小，功能也較為單一，主要負責農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集;信息處理部分主要由匯聚節(jié)點組成，也可以通過部署一些能量異構(gòu)節(jié)點來完成匯聚節(jié)點的部分工作，這些節(jié)點在功能和性能上相比傳感器節(jié)點都有較大提升，以完成數(shù)據(jù)匯聚、整理、融合等一系列的工作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)等方式發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心[3];信息應(yīng)用部分主要是對獲取到的數(shù)據(jù)進一步加工整理，通過各種軟件系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)決策。圖1是精準農(nóng)業(yè)中一種典型的WSN異構(gòu)結(jié)構(gòu)。

采用這種異構(gòu)方式組成的網(wǎng)絡(luò)，細化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在異構(gòu)節(jié)點設(shè)計和應(yīng)用一些特定的策略算法，可以有效地平衡節(jié)點能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，從而提高整個WSN的使用效率。因此，現(xiàn)階段研究的重點，已經(jīng)逐漸轉(zhuǎn)移到這些特定策略算法的設(shè)計和優(yōu)化上來。

3農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)

3.1無線通信技術(shù)

根據(jù)目標監(jiān)測區(qū)域的大小、數(shù)據(jù)傳輸需要以及成本限制等要求，傳感器節(jié)點間的無線通信技術(shù)有不同的選擇。目前在生產(chǎn)中常用的近距離無線通信技術(shù)主要包括：WiFi、Bluetooth、ZigBee和UWB等，根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點和農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)獲取的要求，專門面向自動化和無線控制的ZigBee無疑是最為適合的技術(shù)之一，低速率、低功耗、低價格的鮮明特點非常符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的定位。而且在這種網(wǎng)絡(luò)中，有2種設(shè)備類型，功能簡化型設(shè)備和功能完備設(shè)備，這樣的設(shè)備類型劃分也非常適合異構(gòu)WSN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]，因此ZigBee是目前農(nóng)業(yè)WSN中通用性最好、應(yīng)用范圍最廣的無線通信技術(shù)。

3.2網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)WSN在構(gòu)建時需要根據(jù)應(yīng)用場景選擇合理的拓撲結(jié)構(gòu)，針對大田和設(shè)施2種典型場景的特點，有不同的拓撲選擇。大田場景中，由于監(jiān)測的面積較大，而且要考慮網(wǎng)絡(luò)能耗均衡、節(jié)點發(fā)生異常、網(wǎng)絡(luò)不斷擴展的情況，需要配置大量的傳感器節(jié)點和能量異構(gòu)節(jié)點，因此適合選用Mesh（網(wǎng)狀）拓撲結(jié)構(gòu)，便于控制網(wǎng)絡(luò)能耗，保證傳輸質(zhì)量，方便網(wǎng)絡(luò)擴展;設(shè)施場景中，由于單個設(shè)施面積有限，而且在地域上相對獨立，因此每個設(shè)施可以單獨形成一個子網(wǎng)，便于網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和管理，子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)量較少且相對固定，通信距離較短，比較適合使用控制和同步都比較簡單的星型拓撲結(jié)構(gòu)[5]。

4農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用現(xiàn)狀

由于近年來信息技術(shù)快速發(fā)展，WSN技術(shù)對精準農(nóng)業(yè)的作用日益明顯，越來越多的研究成果應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多個領(lǐng)域，收到了很好的效果。

4.1用于節(jié)水灌溉

我國水資源嚴重匱乏，人均占有量少、分布不均勻，而農(nóng)業(yè)用水卻浪費嚴重。由于農(nóng)田大多施行粗放灌溉，造成水資源大量流失，灌溉效率低下，因此，迫切需要尋求一條節(jié)水灌溉的有效途徑。農(nóng)業(yè)發(fā)達國家對農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉研究起步較早，成效也較明顯，對于常規(guī)作物都有比較先進的灌溉系統(tǒng)，這些系統(tǒng)不僅可以監(jiān)測灌區(qū)水情、墑情，還能根據(jù)作物情況制定科學合理的灌溉策略。我國近年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，為灌區(qū)自動化數(shù)據(jù)采集提供了支持，但由于相關(guān)研究起步較晚，因此目前已應(yīng)用于生產(chǎn)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)大多面向小規(guī)模的生產(chǎn)環(huán)境，如果園、茶園、溫室等，面向大田的節(jié)水灌溉應(yīng)用還在區(qū)域示范階段，尚未大規(guī)模投入生產(chǎn)。

4.2用于溫室環(huán)境管理

由于我國對設(shè)施農(nóng)業(yè)的大力推廣，無論在技術(shù)還是投入上，設(shè)施農(nóng)業(yè)都走在了整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的前列，溫室管理的自動化程度較高，很多地區(qū)的智能溫室已形成規(guī)模，使用的溫室管理智能化系統(tǒng)也日趨完善。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已大量應(yīng)用于溫室環(huán)境信息采集，使用的傳感器種類和傳輸技術(shù)也在不斷增加和改進。智能化系統(tǒng)通過分析處理傳感器獲取的信息，不僅可以實時監(jiān)測溫室中的溫濕度、光照、二氧化碳、土壤狀況等各項環(huán)境參數(shù)，還能根據(jù)預(yù)先設(shè)置的樣本參數(shù)，自動進行水肥、溫濕度、日照等管理操作，保持作物的最佳生長環(huán)境。既實現(xiàn)了隨時隨地對溫室進行科學、準確的管理，又減少了管理人員工作量，提高了生產(chǎn)效率。降低成本和功耗，提高穩(wěn)定性和可靠性，數(shù)據(jù)融合和路由算法優(yōu)化等。

4.3用于生理生態(tài)監(jiān)測

監(jiān)測動植物的生理生態(tài)指標對掌握其生長狀況、提高科學管理水平具有重要意義，傳統(tǒng)的監(jiān)測手段以人工觀察記錄為主，不僅持續(xù)時間長，還耗費大量的人力和物力。根據(jù)生理生態(tài)監(jiān)測工作持續(xù)時間長、監(jiān)測范圍廣等特點，利用成本低、易部署、自動化程度高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，配合專門的智能化系統(tǒng)，可以對動植物生理生態(tài)參數(shù)進行準確、持續(xù)地記錄和分析，隨時掌握監(jiān)測目標的生長情況，從而有效降低監(jiān)測成本，提高監(jiān)測效率。

5總結(jié)和展望

我國正處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，國家對農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)十分重視，精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展形勢良好，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為其重要的組成部分，應(yīng)用范圍持續(xù)擴大，研究成果不斷涌現(xiàn)，特別是在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和控制等方面發(fā)揮了巨大作用，解決了傳統(tǒng)的人工采集和有線測量在實時性、精確性、規(guī)模性等方面的問題。但由于我國相關(guān)研究起步較晚，技術(shù)相對落后，因此仍存在諸多不足，如傳感器種類少、壽命短、能耗高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性仍需加強，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)互通存在困難等，許多專家學者在相關(guān)領(lǐng)域進行了更深層次的研究，研究重點主要放在在節(jié)能策略、節(jié)點定位、數(shù)據(jù)融合、路由優(yōu)化、多平臺支持等方面，相信隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和相關(guān)研究的持續(xù)深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

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