2.2農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述1.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetwork,WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。1概述1.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布式系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過(guò)無(wú)線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)于一體，因其廣闊的應(yīng)用前景而成為當(dāng)今世界上備受關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。1.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成“傳感器、感知對(duì)象和觀察者”構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。這里說(shuō)的傳感器，并不是傳統(tǒng)意義上的單純的對(duì)物理信號(hào)進(jìn)行感知并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的傳感器，它是將傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊集成在一塊很小的物理單元，即傳感器節(jié)點(diǎn)上，功能比傳統(tǒng)的傳感器增強(qiáng)了許多，不僅能夠?qū)Νh(huán)境信息進(jìn)行感知，而且具有數(shù)據(jù)處理及無(wú)線通信的功能。借助傳感器節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器件，可以測(cè)量所在環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)等信號(hào)，從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息處理模式1概述1.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當(dāng)今信息領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)，涉及多學(xué)科交叉。隨著傳感器成本的降低以及相關(guān)問(wèn)題解決方案的不斷優(yōu)化，如能耗更加小和數(shù)據(jù)融合算法、節(jié)點(diǎn)定位算法的不斷完善，以及更加優(yōu)秀的無(wú)線射頻模塊，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會(huì)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有更廣泛的應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)（Sensornode）、匯聚節(jié)點(diǎn)（Sinknode）和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域（Sensorfield）內(nèi)部或附近，能通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸，在傳輸過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可能被多個(gè)節(jié)點(diǎn)處理，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星達(dá)到管理節(jié)點(diǎn)。用戶通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)任務(wù)以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四部分組成。傳感器模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；能量供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行時(shí)所需的能量，通常采用微型電。2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述3.1藍(lán)牙愛(ài)立信在1994年開(kāi)始研究一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無(wú)線模塊，4年后，愛(ài)立信、諾基亞、IBM等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無(wú)線連接。藍(lán)牙工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)。在此范圍內(nèi)，采用藍(lán)牙技術(shù)的多臺(tái)設(shè)備，如手機(jī)、微機(jī)、激光打印機(jī)等能夠無(wú)線互聯(lián)，以約1Mb/s的速率相互傳遞數(shù)據(jù)，并能方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。隨著藍(lán)牙芯片價(jià)格和耗電量的不斷降低，藍(lán)牙已成為許多高端PDA和手機(jī)的必備功能。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要有以下3類：

1）語(yǔ)音/數(shù)據(jù)接入，主要是指將一臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)安全的無(wú)線鏈路連接到通信設(shè)備上完成與廣域網(wǎng)的聯(lián)接。2）外圍設(shè)備互連，主要是指將各種設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙鏈路連接到主機(jī)上。3）個(gè)人局域網(wǎng)，主要用于個(gè)人網(wǎng)絡(luò)與信息的共享與交換。采用藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備使用方便，可自由移動(dòng)。與無(wú)線局域網(wǎng)相比，藍(lán)牙無(wú)線系統(tǒng)更小、更輕薄，成本及功耗更低，信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)。3藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介3.2Wi-fiWi-Fi（WirelessFidelity，無(wú)線高保真）也是一種無(wú)線通信協(xié)議，正式名稱是IEEE802.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無(wú)線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右，不用說(shuō)家庭、辦公室，就是小一點(diǎn)的整棟大樓也可使用。Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無(wú)線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約11Mb/s的速度接入WEB。但實(shí)際上，如果有多個(gè)用戶同時(shí)通過(guò)一個(gè)點(diǎn)接入，帶寬被多個(gè)用戶分享，Wi-Fi的連接速度一般將只有幾百Kb/s。Wi-Fi的信號(hào)不受墻壁阻隔，但在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。3藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介3.3ZigBeeZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于無(wú)線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建中，其特點(diǎn)為：

（1）自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，任意節(jié)點(diǎn)之間都可進(jìn)行通訊。網(wǎng)絡(luò)有星型、簇樹(shù)型和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)加入、撤出或失效時(shí)網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能。（2）工作頻段靈活，數(shù)據(jù)傳輸速率低。在868MHz，915MHz和2.4GHz等3個(gè)無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸率為20-250kb/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(hào)干電池可以支撐一個(gè)節(jié)點(diǎn)使用180-730天的時(shí)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(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸率低且工作于全球免費(fèi)頻段，僅需要先期的模塊費(fèi)用。此外，ZigBee還具有時(shí)延短、安全和可靠性好等特點(diǎn)，使得ZigBee與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的信息采集及遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.3藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型參數(shù)對(duì)比4農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述5.1溫室環(huán)境作用現(xiàn)代化溫室作為一種高投人、高產(chǎn)出和高效益的集約化生產(chǎn)方式，能夠通過(guò)改變環(huán)境參數(shù)創(chuàng)造出植物生長(zhǎng)所需的最佳環(huán)境條件，達(dá)到增加作物產(chǎn)量、提高作物品質(zhì)、調(diào)節(jié)作物生產(chǎn)周期和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。在溫室應(yīng)用中，采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和具有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置(如通風(fēng)設(shè)備、噴霧增濕裝置、澆灌閥門、輔助照明系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)等)構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水量、養(yǎng)分、空氣溫濕度、光照、pH值和CO2濃度等作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息。系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為自動(dòng)控制的參變量，結(jié)合專家數(shù)據(jù)自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)操作，將室內(nèi)溫、光、水、肥、氣等諸因素綜合協(xié)調(diào)到最佳狀態(tài)，使作物始終處于最佳生長(zhǎng)環(huán)境，確保一切生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)、有序、規(guī)范和持續(xù)地進(jìn)行。5WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5.2農(nóng)業(yè)水文水利監(jiān)測(cè)在農(nóng)業(yè)水文水利監(jiān)測(cè)中，由于監(jiān)測(cè)區(qū)域廣、項(xiàng)目多且大都存在無(wú)人值守或者職守人員不足的情況，特別是在突發(fā)惡劣的氣候環(huán)境時(shí)很難保證相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)地傳遞至監(jiān)測(cè)中心，而可能造成重大損失。采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，組網(wǎng)方式簡(jiǎn)單靈活，省時(shí)省力，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)。低成本、低功耗、具有休眠、喚醒工作機(jī)制的傳感節(jié)點(diǎn)，可以保證網(wǎng)絡(luò)能長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作在野外環(huán)境。圖中該網(wǎng)絡(luò)包括水位計(jì)、雨量計(jì)、風(fēng)速儀和閘位計(jì)等測(cè)量終端節(jié)點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需要可安裝在河流、水庫(kù)或農(nóng)田等指定地點(diǎn)，以野外無(wú)人值守方式工作。ZigBee中心節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)GPRS/CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或ADSL將采集的數(shù)據(jù)送到水文水利監(jiān)測(cè)管理中心。5WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5.3農(nóng)田節(jié)水灌溉農(nóng)作物的需水信息是實(shí)施灌溉的依據(jù)，而需水信息的實(shí)時(shí)傳輸則是節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中的一個(gè)難點(diǎn)。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用成本低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈話、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一個(gè)切實(shí)可行的灌區(qū)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物需水信息的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，為實(shí)時(shí)適量灌溉提供了依據(jù)和保證。5WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5.4用于家禽健康狀況及行為特征監(jiān)控當(dāng)禽畜出現(xiàn)疫情時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些行為反常，如體溫升高、厭食、出現(xiàn)反芻減弱或停止、行動(dòng)遲緩等現(xiàn)象，若能及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情及時(shí)隔離、診斷和治療，則能有效減小疫情傳播和降低損失。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)及其水質(zhì)監(jiān)測(cè)上、農(nóng)作物蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、果蔬和糧食的儲(chǔ)藏、農(nóng)作物噴藥和施肥等方面都得到應(yīng)用。

綜上所述，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，可以在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和管理過(guò)程中實(shí)現(xiàn)高教、實(shí)時(shí)地?zé)o人監(jiān)控，能為科學(xué)生產(chǎn)提供可靠信息，也能進(jìn)一步節(jié)省人力資源，節(jié)約人工成本，獲得良好的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益。5WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用5.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢(shì)（1）傳感器節(jié)點(diǎn)的體積很小且整個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要部署一次，因此，部署無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的人為影響很小，這一點(diǎn)在對(duì)外來(lái)生物活動(dòng)非常敏感的環(huán)境中顯得尤為重要。（2）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布密度高，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以檢測(cè)到局部環(huán)境的詳細(xì)信息并匯總到基站。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)具有數(shù)據(jù)采集量大、精度高的特點(diǎn)。（3）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身具有一定的計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力，可以根據(jù)物理環(huán)境的變化進(jìn)行較為復(fù)雜的監(jiān)控，傳感器節(jié)點(diǎn)還具有無(wú)線通信能力，可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)同監(jiān)控。（4）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更適合于人不能或不宜到達(dá)的地域，節(jié)點(diǎn)的部署采用非人工、隨機(jī)方式實(shí)施。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過(guò)一套合適的通信協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人干預(yù)的情況下自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)運(yùn)行。在節(jié)點(diǎn)失效等問(wèn)題出現(xiàn)的情況下，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。（5）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、節(jié)能、成本低、無(wú)線、自組織等特征，非常適合用于農(nóng)業(yè)信息采集。5WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)23藍(lán)牙、Wi-fi、ZigBee技術(shù)介紹農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析45WSN在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用6小結(jié)1概述隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，將會(huì)獲得越來(lái)越多的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。目前人們習(xí)慣的關(guān)系數(shù)據(jù)管理和空間數(shù)據(jù)為主的管理模式不適合管理大量的時(shí)空數(shù)據(jù)。為了適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需要必須加快時(shí)空數(shù)據(jù)處理和管理的研究，同時(shí)還需要加強(qiáng)原始數(shù)據(jù)中誤差和不確定性的研究，加強(qiáng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理和傳輸過(guò)程中的質(zhì)量檢驗(yàn)和控制。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展初期主要使用低耗電的溫度、濕度等傳感器，節(jié)點(diǎn)上的能源需求主要來(lái)自無(wú)線傳輸和處理器。雖然處理器和無(wú)線傳輸裝置可以繼續(xù)向微型化發(fā)展，但是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要鏈接更多樣的傳感器，大量的傳感器會(huì)消耗更多的