高 峰，盧尚瓊，徐青香，姜慶臣

（1.浙江農(nóng)林大學 現(xiàn)代教育技術中心，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學 圖書館，浙江 臨安 311300）

設施農(nóng)業(yè)的核心是對設施內(nèi)部環(huán)境能夠有效調(diào)控，營造適于生物生長發(fā)育及農(nóng)產(chǎn)品儲藏保鮮的最佳環(huán)境條件［1－4］。因此，研究、設計并開發(fā)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的理論意義和應用價值。傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要采用有線通信技術（串行總線技術、現(xiàn)場總線技術等）進行通信。這種系統(tǒng)雖然具有設備互操作性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但存在穩(wěn)定性差、可靠性低、部署困難、擴展不靈活、安裝及運行維護成本高等不足［5-8］，從而極大地限制了其在設施農(nóng)業(yè)領域中的推廣應用。無線傳感器網(wǎng)絡（wireless sensor networks，WSN）是一種無中心節(jié)點的全分布式系統(tǒng)。通過隨機投放的方式，眾多傳感器節(jié)點被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。各傳感器節(jié)點集成有傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊等，它們以無線通信方式，通過分層的網(wǎng)絡通信協(xié)議和分布式算法，可自組織地快速構建網(wǎng)絡系統(tǒng)，傳感器節(jié)點間具有良好的協(xié)作能力；借助于其集成的形式多樣的傳感器，傳感器節(jié)點可探測包括溫度、濕度、噪聲、光照度、壓力、移動物體的大小、速度與方向等諸多人們感興趣的物理現(xiàn)象；通過網(wǎng)關，無線傳感器網(wǎng)絡可以接入Internet/Intranet，從而將采集到的信息回傳給遠程的終端用戶。這些特性使得無線傳感器網(wǎng)絡的應用范圍非常廣泛，遍及國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、城市管理、太空探索、醫(yī)療衛(wèi)生、智能樓宇、交通運輸、災難預警與救助、倉儲/物流管理等諸多領域［9－12］。在設施農(nóng)業(yè)領域，也有著得天獨厚的優(yōu)勢［5－8，13］：基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、能耗小、經(jīng)濟性好、安裝方便、擴展靈活、穩(wěn)定性與可靠性強等優(yōu)點，可以有效克服傳統(tǒng)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的各種缺陷，實現(xiàn)設施環(huán)境（空氣溫度、空氣濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度、土壤電導率等）的實時、精確、遠程和自動監(jiān)控，滿足設施農(nóng)業(yè)的應用需求。因此，國內(nèi)外眾多大學和研究機構對它產(chǎn)生了極其濃厚的興趣，越來越多的科學家和學者紛紛加入到該研究行列，研究成果日益豐富。筆者對無線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)中的應用進展進行綜述，主要內(nèi)容有：提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構，對國內(nèi)外具有代表性的相關研究成果進行了評述，對存在的主要問題進行了剖析，提出了解決問題的基本思路。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構

雖然針對具體應用，可能為基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計特定的體系結構，但在本質上，基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通常具有如圖1所示的結構［5－8，13－14］。

圖1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構Figure 1 Basic structure of WSN-based monitoring system for facility agriculture environment

其典型工作方式為：大量傳感器節(jié)點隨機布設在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點之間通過自組織的方式快速形成一個感知網(wǎng)絡（即WSN）。在感知網(wǎng)絡內(nèi)部，每個傳感器節(jié)點既是信息的采集者和發(fā)送者，又是信息的路由者。傳感器節(jié)點所探測到的信息（傳感數(shù)據(jù)），以多跳中繼的方式，將其傳送給網(wǎng)關。當感知網(wǎng)絡與管理及用戶網(wǎng)絡距離較遠時，為了實現(xiàn)它們之間的相互通信，通常需要借助廣域網(wǎng)（如Internet、全球通、衛(wèi)星網(wǎng)等）進行互聯(lián)。網(wǎng)關充當感知網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)之間通信的橋梁。這樣，當傳感數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關后，網(wǎng)關將傳感數(shù)據(jù)經(jīng)廣域網(wǎng)傳送給用戶所在的任務管理節(jié)點。任務管理節(jié)點中運行著上位機管理軟件，在接收到傳感數(shù)據(jù)后，上位機管理軟件的專家系統(tǒng)模塊結合接收到的傳感數(shù)據(jù)、各類知識庫，形成控制決策（控制指令），并通過網(wǎng)關將控制指令發(fā)送給相應的執(zhí)行機構，控制與其相連的各種物理裝置，實現(xiàn)設施環(huán)境的精確控制。

為提高監(jiān)控系統(tǒng)的測控精度，往往需要將監(jiān)控區(qū)域劃分成若干子區(qū)域，實行分區(qū)域控制。因此，感知網(wǎng)絡的體系結構采用分層分簇結構，如圖2所示。每個監(jiān)測子區(qū)域形成一個簇，每個簇由一個簇首、若干傳感器節(jié)點和若干執(zhí)行機構組成。簇首是一種特殊的傳感器節(jié)點，它通常比傳感器節(jié)點具有更強的計算與存儲能力；傳感器節(jié)點周期性地采集監(jiān)測子區(qū)域內(nèi)的信息并發(fā)送給簇首；簇首對本簇內(nèi)傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)（稱為簇內(nèi)數(shù)據(jù)）進行融合后，將簇數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關；簇首接收來自網(wǎng)關的各種控制指令，并轉發(fā)給相應的執(zhí)行機構；執(zhí)行機構接收到控制指令后，驅動與其相連的物理裝置，如加熱器、噴頭閥門開關等。傳感器節(jié)點采用單跳/多跳方式向簇首發(fā)送傳感數(shù)據(jù)；簇首也通過單跳/多跳方式向傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構發(fā)送相關指令。

圖2 感知網(wǎng)絡的體系結構Figure 2 Architecture of sensor networks

2 基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的進展情況

無線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)領域的應用研究始于21世紀初葉。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡州建立了世界上第一個無線葡萄園［14］。傳感器節(jié)點被分布在葡萄園的每個角落，1 min檢測1次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長。研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細微變化可極大地影響葡萄酒的質量。通過長年的數(shù)據(jù)記錄以及相關分析，便能精確的掌握葡萄酒的質地與葡萄生長過程中的日照、溫度、濕度的確切關系。該方案所使用的節(jié)點為美國Crossbow公司的Mote系列節(jié)點MICA2和MTS300CA。

此后，國內(nèi)外眾多研究人員開展相關研究，并取得一些成果，典型案例包括：Digital Sun公司開發(fā)的自動灑水系統(tǒng)使用無線傳感器感應土壤的水分，并在必要時與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開或關閉，從而達到自動、節(jié)水灌溉的目的［15］。在該方案中，為了維護系統(tǒng)運作的流暢，資料收集器會發(fā)出信號自動檢測灑水線路是否中斷，或檢測是否有灑水噴頭堵塞等情形，并在適當?shù)臅r候發(fā)出警告聲，以便通知相關管理者進行適當?shù)木S修。Butler等［16］應用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)了一個電子籬笆，其傳感器節(jié)點由個人數(shù)字信息處理（personal digital assistant，PDA）模塊、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊、無線保真（wireless fidelity，WiFi）模塊、揚聲器和一些連接電纜等組成，被設計成項圈形狀，可以佩戴在牲畜脖子上。牧群中傳感器節(jié)點構成多跳ad hoc網(wǎng)絡，將牲畜運動信息實時轉發(fā)給基站（膝上型電腦）?；窘邮盏缴蟮倪\動信息后，調(diào)用虛擬籬笆算法動態(tài)修訂電子籬笆的邊界，并將電子籬笆的坐標實時傳送給傳感器節(jié)點。當佩戴傳感器節(jié)點的牲畜試圖跨越電子籬笆時，揚聲器發(fā)出警報來控制該牲畜的行為。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)無人放牧，節(jié)約飼育場安裝和移動物理籬笆所產(chǎn)生的開銷，提高飼育場的使用率。Riem-Vis［17］設計的商用Securifood系統(tǒng)，用于實現(xiàn)新鮮食品低溫運輸系統(tǒng)的溫度監(jiān)控。該系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點、中繼設備、訪問盒和數(shù)據(jù)倉庫組成。傳感器節(jié)點傳輸產(chǎn)品信息和收集溫度數(shù)據(jù)。中繼設備收集并存儲來自傳感器節(jié)點的溫度數(shù)據(jù)。眾多中繼設備構成多跳ad hoc網(wǎng)絡。訪問盒是一個嵌入式Linux裝置，它充當由中繼設備構成的網(wǎng)絡與Internet之間的網(wǎng)關。每個生產(chǎn)地部署一個訪問盒。Internet主機上的數(shù)據(jù)倉庫擔當中央服務器，收集、存儲并管理來自各訪問盒的數(shù)據(jù)。用戶通過Internet可以訪問該數(shù)據(jù)倉庫。Wark等［18］開展了無線傳感器網(wǎng)絡在家畜飼養(yǎng)業(yè)中的應用研究，其目的是應用適當?shù)募顏矸乐箖深^牛之間的戰(zhàn)斗。為此，作者設計并實現(xiàn)了基于狀態(tài)機機制的動物狀態(tài)估計算法，執(zhí)行機構根據(jù)某動物相對于其他動物的狀態(tài)來執(zhí)行相關任務。系統(tǒng)采用了移動式傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構。López Riquelme等［13］在木爾西亞（Murcia）半干旱地區(qū)的一個生態(tài)園藝企業(yè)中設計并部署了一個試驗性無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了4類節(jié)點，即土壤傳感器節(jié)點、環(huán)境傳感器節(jié)點、水傳感器節(jié)點和網(wǎng)關。土壤傳感器節(jié)點能夠測量各種土壤特性，例如溫度、容積含水率和鹽度等；環(huán)境傳感器節(jié)點能夠測量環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；水傳感器節(jié)點部署在池塘邊，用于測量灌溉用水的水體鹽度和水體溫度，以監(jiān)控灌溉用水的品質。此外，系統(tǒng)還包括一個實時監(jiān)控應用軟件，運行在農(nóng)場中央辦公室的上位機上。

在國家發(fā)展和改革委員會的支持下，中國科學技術大學、中國科學院計算技術研究所和國家水利部淮河水資源保護局合作設計了無線傳感網(wǎng)絡精準農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)［14］。該系統(tǒng)在位于蚌埠市的安徽省農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)獲得初步應用。20多個節(jié)點被均勻地布置在面積大約為1 200 m2的花卉大棚內(nèi)。節(jié)點類型包括土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和光照傳感器等。當系統(tǒng)運行時，每個傳感器節(jié)點將附近的環(huán)境信息和自身的狀態(tài)信息經(jīng)過自組織多跳路由傳遞給基站，然后通過本地服務器上的數(shù)據(jù)獲取程序將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務器上。

浙江農(nóng)林大學、浙江工業(yè)大學、上海淮智信息技術有限公司合作設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動監(jiān)控系統(tǒng)，即WSN-FAEAM系統(tǒng)［6－8，14］。它主要由傳感器節(jié)點、執(zhí)行機構、網(wǎng)關和上位機管理軟件組成。傳感器節(jié)點有7類，即環(huán)境溫度節(jié)點、環(huán)境濕度節(jié)點、土壤溫度節(jié)點、土壤濕度節(jié)點、土壤電導率節(jié)點、光照度節(jié)點、二氧化碳濃度節(jié)點等。傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構符合IEEE Std 1451.0TM-2007和IEEE Std 1451.5TM-2007標準，具有即插即用、熱插拔和自動校正功能；網(wǎng)關集成了通用分組無線服務（general packet radio service，GPRS），無線保真（wireless fidelity，WiFi），全球通（global system for mobile，GSM），射頻識別（radio frequency indentification，RFID）等擴展模塊，集成了以太網(wǎng)接口、串行接口等，集成了IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議棧、精簡傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議（TCP/IP）棧和虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議（IP）橋，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡與主干網(wǎng)（全球通、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡等）之間的透明互聯(lián)；上位機管理軟件實現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合機制，所有人機接口采用友好的圖形化界面設計，能夠直觀地動態(tài)顯示無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構并實時監(jiān)測WSN-FAEAM系統(tǒng)的運行狀態(tài)，能夠直觀地對各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行有效組織和管理。該系統(tǒng)可以應用于大田、溫室、苗圃等區(qū)域，實現(xiàn)設施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠程、實時、自動監(jiān)控。

總體上看，上述案例或成果具有里程碑的意義，它們?yōu)闊o線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)領域的應用做出了前瞻性和探索性研究，并為后續(xù)開展相關研究積累了豐厚的技術儲備和寶貴經(jīng)驗。在這些典型案例的示范作用下，越來越多的研究人員加入到相關研究行列，使得無線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)領域的應用成果日益豐富起來。表1列舉了近年來公開報道的部分應用研究成果。

3 存在的主要問題及未來努力方向

3.1 感知網(wǎng)絡的功能性問題及努力方向

目前，各類基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其傳感器種類有限，主要集中在空氣溫度節(jié)點、空氣濕度節(jié)點、土壤溫度節(jié)點、土壤濕度節(jié)點、土壤電導率節(jié)點、光照度節(jié)點、二氧化碳濃度節(jié)點、水體溫度節(jié)點、水體電導率節(jié)點等，通過這些傳感器節(jié)點，感知網(wǎng)絡只能感知生物生長的部分環(huán)境信息，不能感知生物生長所需的全部環(huán)境信息，難以進一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的精度。此外，現(xiàn)有基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合、能量管理及后臺管理軟件等方面，亦存在嚴重不足，直接影響了感知網(wǎng)絡的相關性能。

今后的努力方向是：隨著嵌入式技術、微電子技術和傳感器技術等的不斷發(fā)展，研制新型傳感器節(jié)點，豐富傳感器節(jié)點的種類，實現(xiàn)更多類型環(huán)境信息的自動測控；研制相關傳感器節(jié)點，實現(xiàn)對生物生理指標（如作物的細胞液濃度、作物的葉片含水量、作物的葉溫等）的實時、遠程、自動測控，進而直接診斷作物的水分匱缺情況。同時，建立安全高效的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)融合機制，建立安全高效的能量管理機制，開發(fā)安全高效的后臺管理軟件，等等。這樣，可以有效提高設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的自動化、智能化程度，同時有效提高設施農(nóng)業(yè)環(huán)境測控系統(tǒng)的精度。

3.2 傳感器的即插即用問題及努力方向

隨著設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)自動化、智能化程度的不斷提高，所需傳感器節(jié)點的種類將會越來越多。傳感器節(jié)點通常集成有傳感器、處理器、無線通信、電源等主要功能模塊。由于目前總線的種類繁多，每種總線的應用范圍各不相同，彼此之間的兼容性與互操作性極差，導致各個傳感器制造廠商往往只生產(chǎn)滿足特定總線接口的傳感器，由此帶來嚴重的傳感器與通信網(wǎng)絡之間的兼容性和互操作性問題，無法實現(xiàn)傳感器的即插即用和熱插拔功能。對于執(zhí)行機構，也面臨同樣的問題。目前，這個問題已經(jīng)成為阻礙基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應用推廣的主要因素。

表1 基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一些案例Table 1 Some cases of WSN-based monitoring system for facility agriculture environment

今后的努力方向是：遵循IEEE Std 1451.0TM-2007和IEEE Std 1451.5TM-2007標準，設計傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構。文獻［14］對此已經(jīng)進行了有益嘗試，但是所取得的結果還是比較初步的，在穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性等方面目前還難以完全滿足設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應用需求。需要對文獻［14］提出的基于IEEE 1451標準的傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構設計方案進行優(yōu)化和改進。

3.3 無線傳感器網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)的互連問題及努力方向

這個問題的基本涵義是：①在設施農(nóng)業(yè)應用中，用戶往往需要通過Internet等來訪問監(jiān)控系統(tǒng)的各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對部署在監(jiān)測區(qū)域的特定節(jié)點進行操作，因此需要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與主干網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。②獨立組網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡初期的一種組網(wǎng)方式，出于對傳輸可靠性、傳輸時延等因素的考慮，單一無線傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模不可能太大，一般僅限于局域網(wǎng)的層次。為了實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模組網(wǎng)以及不同感知子網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通，必需實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。上述任務理所當然由網(wǎng)關（或稱為匯聚節(jié)點）來完成?，F(xiàn)有的網(wǎng)關設計與實現(xiàn)方案雖然在一定程度上實現(xiàn)了上述功能，但是還遠遠不能滿足將來設施農(nóng)業(yè)的應用需求，特別地，現(xiàn)有網(wǎng)關難以滿足無線傳感器網(wǎng)絡的大規(guī)模組網(wǎng)的應用需求。

今后的努力方向是：結合應用需求和相關技術的發(fā)展趨勢，研制監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡與廣域網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。目前，實現(xiàn)網(wǎng)關的主流技術大體上可以分為4類，即協(xié)議轉換方式、協(xié)議承載方式、虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議（IP）橋方式以及全IP方式［14，30-33］。文獻［14］對4類網(wǎng)關實現(xiàn)技術進行了分析比較，認為只有虛擬IP橋方式是切實可行的。但是文獻［14］提出的基于虛擬IP橋的網(wǎng)關設計方案是非常初步的，難以滿足未來設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐的需求。需要對文獻［14］提出的網(wǎng)關設計方案進行優(yōu)化和改進。特別地，鑒于TCP/IP協(xié)議的廣泛成功應用已經(jīng)使其成為當前有線網(wǎng)絡事實上的協(xié)議標準，并且其應用范圍正逐步向無線領域拓展，因此，未來可以重點關注無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)絡協(xié)議網(wǎng)絡的互聯(lián)與融合問題，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的互聯(lián)與融合問題。

3.4 上位機軟件的功能性問題及努力方向

現(xiàn)有各類上位機軟件雖然能夠滿足對傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行組織和管理的基本要求，但是功能比較單一，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘的能力弱，基本上沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)融合和決策分析等功能，難以滿足設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求。

今后的努力方向是：在現(xiàn)有工作基礎上，進一步優(yōu)化上位機軟件設計方案，充分利用先進的數(shù)據(jù)庫技術、智能控制技術、數(shù)據(jù)融合技術、校正補償技術、軟件工程技術、計算機網(wǎng)絡技術等，實現(xiàn)上位機軟件友好的人機接口，使得上位機軟件具有如下基本功能：能夠直觀地動態(tài)顯示無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構并實時監(jiān)測基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)；能夠直觀地對各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行有效組織和管理；能夠便捷地實現(xiàn)感知子網(wǎng)絡之間傳感信息的高度共享，能夠便捷地實現(xiàn)傳感信息的廣域網(wǎng)共享。此外，上位機軟件必須實現(xiàn)高度的智能，使之能夠精確地運用各種專家知識進行決策分析并計算控制指令，實現(xiàn)設施環(huán)境的精確控制，滿足工廠化設施農(nóng)業(yè)的應用需求。

3.5 傳感器節(jié)點的功耗問題及努力方向

目前，某些傳感器，例如二氧化碳傳感器、聲發(fā)射傳感器、莖流傳感器、莖桿直徑變化量傳感器等，其工作功率較大，使得對應的傳感器節(jié)點不太適合使用5號電池或鋰電池提供電能，需使用太陽能電池或市電為之提供電能，這將直接導致相應傳感器節(jié)點的體積過大和成本過高，從而限制無線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)領域的應用。

今后的努力方向是：①促進微電子技術和傳感器技術的進步，研制低功耗傳感器。②促進儲能技術的進步，研制容量大、體積小、能量儲存和轉換效率高、壽命長的新型儲能電池。特別地，研制具有自充電功能的生物電池，具有廣闊的應用和產(chǎn)業(yè)化前景。③探索無線傳感器網(wǎng)絡與各種傳統(tǒng)遠程環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端協(xié)同工作的模式，實現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢互補。

3.6 監(jiān)控系統(tǒng)的安全性問題及努力方向

迄今為止，所設計的各類基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，都沒有涉及系統(tǒng)的安全性問題。換言之，現(xiàn)有各類基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個非常不安全的系統(tǒng)，容易遭受各種攻擊。在實際應用于生產(chǎn)實踐之前，這是必須解決的問題。

今后的努力方向是：針對無線傳感器網(wǎng)絡具有通信能力、電源能量、計算速度、存儲空間受限和傳感器節(jié)點配置密集、網(wǎng)絡拓撲結構靈活多變等特點，為基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計并部署輕量級安全機制，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的安全通信。這是未來無線傳感器網(wǎng)絡技術的一個研究前沿和研究熱點問題。

4 結束語

在進行深入研究的基礎上，對基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究進展進行了評述。首先，對各種形式各異的基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的體系結構進行了分析，在此基礎上，對其進行高度抽象，提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的通用體系結構，它由感知網(wǎng)絡、網(wǎng)關、主干網(wǎng)和用戶網(wǎng)絡等組成。感知網(wǎng)絡由部署在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點和執(zhí)行機構以無線ad hoc方式構成。根據(jù)應用需要，感知網(wǎng)絡可能采用分層分簇的體系結構。其次，對現(xiàn)有相關應用研究成果中的典型案例進行了詳細的評述。最后，指出了現(xiàn)有基于無線傳感器網(wǎng)絡的設施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的不足，同時提出了具體的解決方案，指出了未來的努力方向。論文對開展無線傳感器網(wǎng)絡在設施農(nóng)業(yè)領域的應用研究具有指導意義。

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