無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

1、無線傳感網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀信管30517-池騁1、引言無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有感知、計算和通信能力，正以一種“無處不在的計算”的新型計算理念：成為連接物理世界、數(shù)字虛擬世界和人類社會的橋梁，并開始廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境資源監(jiān)測、智能交通、智能家居和空間探索等多個領(lǐng)域，成為國際上信息領(lǐng)域的研究熱點和競爭焦點，有著廣泛的應(yīng)用前景1。在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的研究上，及時迅速地獲取相關(guān)信息是實施現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的實驗室人工采集分析方法已經(jīng)很難滿足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)信息采集實時性的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以一種全新的信息獲取方式，能實時、快速地將監(jiān)測區(qū)域的各種檢測對象的信息遠程傳輸?shù)浇K端用戶

2、(如農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理者)。管理者根據(jù)相關(guān)信息，結(jié)合專家經(jīng)驗，及時準確地做出決策和響應(yīng)，科學(xué)實施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理。2、無線傳感網(wǎng)絡(luò)概述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域的多個傳感器節(jié)點組成，節(jié)點具有感知采集、計算處理、無線通信和自動組網(wǎng)的能力，彼此相互協(xié)作，完成監(jiān)測任務(wù)。WSN系統(tǒng)構(gòu)架及特點圖1是一個典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及整體構(gòu)架。傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理決策及終端用戶管理節(jié)點構(gòu)成2。分布在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點對所監(jiān)測的信息進行初步處理后，以多跳中繼的無線方式把數(shù)據(jù)傳到匯聚節(jié)點，然后經(jīng)過衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)等途徑到達終端用戶管理節(jié)點。終端用戶也可以通過管理節(jié)點對傳感

3、器網(wǎng)絡(luò)進行管理和配置，發(fā)布監(jiān)測任務(wù)或收集處理回傳的信息3。上培罌節(jié)點，測區(qū)里冉鵬用戶管理節(jié)點(H.,|ih,lien,P)圖1傳感器節(jié)點通常是一個帶外圍傳感器的低功耗嵌入式MCU,電池供電，計算和通信能力有限。節(jié)點具有終端采集和路由雙重功能，除了進行本地信息收集和數(shù)據(jù)處理外，還要對其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)進行存儲、管理和融合等處理。數(shù)據(jù)沿著節(jié)點逐跳進行傳輸，在傳輸過程中可能被多個節(jié)點處理，經(jīng)過多跳路由最后傳到匯聚節(jié)點4。匯聚節(jié)點又稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點，其數(shù)據(jù)處理能力、存儲能力和通信能力相對較強，連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet和GPRS等外部網(wǎng)絡(luò),可以將節(jié)點傳遞過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至外部網(wǎng)絡(luò)，同時也能發(fā)布用戶的

4、監(jiān)測任務(wù)至各個節(jié)點。匯聚節(jié)點可以是一個具有增強功能的普通傳感器節(jié)點（足夠的能量供給、更多的存計算資源），也可以是一個僅帶無線通信接口沒監(jiān)測功能的特殊網(wǎng)關(guān)設(shè)備。ZigBee技術(shù)簡介在短距離無線通信技術(shù)中，藍牙、WIFI、超寬帶及ZigBee技術(shù)等均能應(yīng)用WSN,并展現(xiàn)出各自的應(yīng)用其中，ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標準的關(guān)于無線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用等方面的技術(shù)標準，被廣泛應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中，其特點3為：1）自動組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大，ZigBee可容納多達65000個節(jié)點，任意節(jié)點之間都可進行通訊。網(wǎng)絡(luò)有星型、簇樹型和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點加入、撤出或失效時網(wǎng)絡(luò)具有自動修復(fù)功能。2）

5、工作頻段靈活，數(shù)據(jù)傳輸速率低。在868MHz,915MHz和2.4GHzdeng3個無需申請的ISM頻段，對應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸率為20250kb/s,滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求。3）模塊功耗低。兩節(jié)5號干電池可以支撐一個節(jié)點使用180-730天的時間，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。4）成本低。由于協(xié)議簡單，數(shù)據(jù)傳輸率低且工作于全球免費頻段，僅需要前期的模塊費用。此外ZigBee還具有延時短、安全和可靠性好等特點，使得ZigBee與無線傳感網(wǎng)絡(luò)完美的結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的信息采集及遠程監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。3、WS電現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢農(nóng)作物的生長

6、受到包括土壤的水分、有機質(zhì)含量、酸堿度、光照度和溫濕度等各種環(huán)境因素的影響?；趥鹘y(tǒng)人工測量和報送的信息采集模式滿足不了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理的要求。如果在農(nóng)田中鋪設(shè)基于有線網(wǎng)絡(luò)的傳感系統(tǒng)，則不便于農(nóng)田的耕作，而且成本也較高，可靠性差。無線傳感網(wǎng)絡(luò)能有效避免這些缺陷，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)應(yīng)用中有如下優(yōu)勢：傳感器節(jié)點體積小，在農(nóng)田或溫室大棚里布置方便，不影響耕作；節(jié)點功耗低，在不更換電池的情況下能工作180-730天的時間，基本能覆蓋絕大部分農(nóng)作物的一個耕作周期；不會對環(huán)境帶來入侵時干擾，特別適合于牲畜家禽及其棲息地的無人干擾監(jiān)測；節(jié)點除了具有監(jiān)測功能外，還能實現(xiàn)定位；節(jié)點價格便宜，架設(shè)整套系統(tǒng)成本不高；

7、網(wǎng)絡(luò)的自組性、健壯性和抗毀性提供了快速部署網(wǎng)絡(luò)的可能；適用于布線和電源供給困難的區(qū)域或惡劣環(huán)境中；網(wǎng)絡(luò)一經(jīng)部署常年適用，維護簡單。4、WSNZ用于農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵問題雖然WSN在農(nóng)業(yè)相關(guān)領(lǐng)域有了相當多的應(yīng)有，（!由于它是一門新興的科學(xué)，其自身還有很多問題有待深入研究和完善很多應(yīng)用還處于實驗室理論研究驗證階段，真正推廣還有很多實際問題有待解決。其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化問題，如何最大化網(wǎng)絡(luò)的生命周期，仍需合理的能量均衡路由算法；二是系統(tǒng)成本問題，盡管單節(jié)點成本不高，但在規(guī)?；W(wǎng)絡(luò)中系統(tǒng)搭建成本依然不菲；三是節(jié)點部署問題，其合理性關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率、連通率和節(jié)能等多個方面；四是在確保數(shù)

8、據(jù)的高度有效、可靠和安全等方面仍有待驗證。5、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)應(yīng)用目前無線技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，但大都是具有基站星型拓撲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并不是真正意義上的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)一般應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過各種傳感器采集信息，以幫助農(nóng)民及時發(fā)現(xiàn)問題，并且準確地確定發(fā)生問題的位置，樣農(nóng)業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、依賴于孤立機械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，從而大量使用各種自動化、智能化、遠程控制的生產(chǎn)設(shè)備。2002年英特爾公司率先在俄勒岡州建立了第一個無線葡萄園。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，每隔一分鐘檢測一次土壤溫度、濕度或該區(qū)域的有害物的數(shù)量以確保

9、葡萄可以健康生長，進而獲得大豐收。澳大利亞的CSRIOICTCenter將無線傳感器節(jié)點安置在動物身體上對動物的生理狀況（脈搏、血壓等）和外界環(huán)境進行監(jiān)測，研制成完善的草地放牧與動物模型。以上是目前為數(shù)不多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用事例，其實無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用遠不止這些，下面分別提出一些簡單的應(yīng)用思路和設(shè)想。溫室環(huán)境應(yīng)用在溫室環(huán)境里單個溫室即可成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個測量控制區(qū)，采用不同的傳感器節(jié)點和具有簡單執(zhí)行機構(gòu)的節(jié)點（風機、低壓電機、閥門等工作電流偏低的執(zhí)行機構(gòu)）構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)來測量土壤濕度、土壤成分、pH值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強度、CO2濃度等來獲得作物生長的最佳條件

10、，同時將生物信息獲化，利用網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化，從而達到現(xiàn)場組網(wǎng)方便、增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟效益的目的。系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)構(gòu)見圖2。節(jié)點與節(jié)點,審戊,網(wǎng)后錄用配然方式.I過自用方式引囤.博豆便多戲部廳式傳播節(jié)水灌溉應(yīng)用具有簡單控制功能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，采用電池供電通過相關(guān)的電源處理可以控制不同中小功率的直流電磁閥（電動水動電磁閥、減壓閥、調(diào)壓閥、安全閥及流量控制閥等），加上節(jié)點的休眠狀態(tài)將網(wǎng)絡(luò)的工作時間延長到一年以上，如果采用太陽能電池板供電，能源方面就不需要過多的考慮。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時間同步等特點，使灌區(qū)面積，節(jié)點數(shù)量不受到限制，

11、可以靈活增減輪灌組，加上節(jié)點具有的土壤、植物、氣象等測量采集裝置、通信網(wǎng)關(guān)的Internet功能與RS和GP或術(shù)結(jié)合的灌區(qū)動態(tài)管理信息采集分析技術(shù)、作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)等構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺?？稍跍厥摇⑼ピ夯▓@綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、規(guī)化、模式化、集成化，促進節(jié)水農(nóng)業(yè)的快速和健康發(fā)展6。環(huán)境監(jiān)測及動植物生理生態(tài)監(jiān)測過布置多層次的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)，對牲畜家禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖、稀有動物的生活習性、環(huán)境、生理狀況及種群復(fù)雜度進行觀測研究，也可用于對森林環(huán)境監(jiān)測和火災(zāi)報警（平時節(jié)點被隨布在

12、森林之中，平常狀態(tài)下定期報告環(huán)境數(shù)據(jù)，當發(fā)生火災(zāi)時，節(jié)點通過協(xié)同合作會在很短的時間將火源的具體地址、火勢大小等信息傳送給相關(guān)部門）。同時也可以應(yīng)用在精準農(nóng)業(yè)中，來監(jiān)測農(nóng)作物中的害蟲、土壤的酸堿度和施肥狀況等。6、結(jié)語無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了多種先進技術(shù)，為人們提供了一種全新的信息獲取、信息處理方式被認為是影響人類未來生活的重要技術(shù)之一。盡管它在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)規(guī)?；瘧?yīng)用上還是受到一定的限制，但其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中體現(xiàn)出的自動化、無線化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的理念展現(xiàn)了美好的應(yīng)有前景，非常值得深入研究。同時也給人們提出了很多新的挑戰(zhàn)。本文通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)、研究熱點及在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的介紹，可見無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對國家和社會意義重大，國外對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究正熱烈開展，希望本文引起國同行對此方面的重視，早日將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中。參考文獻1許力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全和優(yōu)化M.:電子工業(yè)，2010。2喬曉軍，馨，王成等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005,21(s):232-234。3遜學(xué)，