張亞鋒

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域[1]。它綜合了傳感器、嵌人式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信、分布式信息處理等技術(shù)，由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，能夠協(xié)作地采集、感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對(duì)象或各種環(huán)境的信息，通過無線傳輸方式送到用戶終端。在我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們主要通過人工測量的方式獲取農(nóng)田信息，獲取過程中需消耗大量的人力，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用可以有效降低人力消耗，高效、實(shí)時(shí)地獲取精確的作物環(huán)境和作物信息，降低了農(nóng)田管理工作量，提高了農(nóng)業(yè)管理智能化水平。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心組成，如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)以人工部署或飛行器撒播等方式隨機(jī)布置在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，具有采集信息、無線通信等功能，并通過自組織、多跳路由的無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)可以和監(jiān)控中心的PC機(jī)直接通信，也可以通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)(Internet)或衛(wèi)星等多種無線方式與監(jiān)控中心通信，監(jiān)控中心可以顯示采集到的信息，也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置、管理以及發(fā)布監(jiān)測任務(wù)等。

在不同的實(shí)際應(yīng)用中，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)各不相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)是一樣的，主要包括傳感器模塊、微處理器模塊、射頻模塊、電源模塊。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換；微處理器模塊是節(jié)點(diǎn)的核心模塊，具有數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，執(zhí)行通信協(xié)議以及節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理等功能；射頻模塊用于完成數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和傳輸?shù)葻o線通信任務(wù)；電源模塊為WSN節(jié)點(diǎn)提供所需的能量，決定了節(jié)點(diǎn)的壽命。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、節(jié)點(diǎn)密度高 為了保證獲取的信息精確、完整，往往可能有成千上萬個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)密集部署到監(jiān)測區(qū)域內(nèi)。

1.2.2 無中心和自組織性 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，所有結(jié)點(diǎn)地位平等。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

1.2.3 動(dòng)態(tài)拓?fù)?節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、加入或退出網(wǎng)絡(luò)，都會(huì)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這就需要網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)涔δ堋?/p>

1.2.4 以數(shù)據(jù)為中心 在WSN中，人們只會(huì)關(guān)心某個(gè)區(qū)域內(nèi)某個(gè)觀測指標(biāo)的數(shù)據(jù)，而不會(huì)去關(guān)心具體單個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測數(shù)值。

1.2.5 硬件資源和電源容量有限 由于傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器能力比較弱、存儲(chǔ)器容量比較小，因此其在計(jì)算能力、存儲(chǔ)容量、通信能力和電源能量等方面受限。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

2.1 智能農(nóng)業(yè)

對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，主要通過人們的感知能力對(duì)影響農(nóng)作物生長的各種因素進(jìn)行辨別，具有極大的不準(zhǔn)確性，這樣農(nóng)業(yè)管理也就達(dá)不到精細(xì)化的要求，成為一種粗放型管理，伴隨隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和城鎮(zhèn)化的改革，對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的要求不斷提高。因此，將先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中，所謂的智能農(nóng)業(yè)隨之產(chǎn)生。

智能農(nóng)業(yè)是將人工智能技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)。智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)覆蓋了從影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然參數(shù)的采集，到利用知識(shí)推理和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行參數(shù)分析，最終通過農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整個(gè)生產(chǎn)管理鏈。

2.2 應(yīng)用研究現(xiàn)狀

2.2.1 溫室環(huán)境

2009年，Leong等[2]利用WSN設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在一個(gè)生產(chǎn)萵苣的商業(yè)溫室中，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的信息，可對(duì)影響萵苣生長的溫度和營養(yǎng)液進(jìn)行優(yōu)化控制，也驗(yàn)證了星型網(wǎng)絡(luò)可靠性比較高。

2011年，王福祿等[3]組建了基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過電源和功耗的檢測和育苗溫室的現(xiàn)場試驗(yàn)，該系統(tǒng)能夠高效、實(shí)時(shí)采集溫室環(huán)境信息，具有低功耗，電源供電穩(wěn)定，高可靠性等特點(diǎn)。

2012年，趙春江等[4]設(shè)計(jì)了由CC2430和LPC1766芯片及串口攝像頭組成的圖像傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以采集、傳輸及顯示溫室環(huán)境圖像信息，滿足獲取溫室生產(chǎn)履歷信息的要求。

2.2.2 節(jié)水灌溉

2009年，Alberto等[5]在托斯卡納（意大利）對(duì)容器中生長的植物進(jìn)行灌溉管理研究，討論了傳感器集成在無線網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)控制的灌溉和創(chuàng)新的灌溉策略如雙水灌溉，其目的是提高農(nóng)作物灌溉效率。

2011年，趙養(yǎng)社[6]設(shè)計(jì)了基于WSN與GPRS的灌溉系統(tǒng)，選擇了墑情傳感器埋入地下的深度,給出了根系發(fā)育層墑情指數(shù)的計(jì)算公式，并實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量監(jiān)控，及時(shí)提醒用戶更換節(jié)點(diǎn)。

2012年，孫燕等[7]基于 ZigBee技術(shù)、無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(TD-SCDMA)和Internet，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)在線的自動(dòng)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了節(jié)能的設(shè)計(jì)方案；利用作物自身冠層的溫度決定是否需要灌溉；增加了語音提示功能；解決了在環(huán)境復(fù)雜、遮擋物較多等干擾情況下的傳感器節(jié)點(diǎn)部署問題。

2.2.3 畜禽養(yǎng)殖

2010年，Hwang等[8]采用WSN技術(shù)組建了一個(gè)無處不在的豬場養(yǎng)殖系統(tǒng)，該系統(tǒng)為用戶提供了環(huán)境監(jiān)測和可追溯性管理，從而實(shí)現(xiàn)豬肉品質(zhì)改善和增產(chǎn)。

2011年，龐超等[9]提出了基于RFID技術(shù)與WSN技術(shù)相結(jié)合的奶牛養(yǎng)殖信息溯源系統(tǒng)，系統(tǒng)在奶牛檢驗(yàn)合格后安裝電子耳標(biāo)，在飼養(yǎng)過程中用手持讀寫器采集飼喂、繁殖、病疫等信息，通過WSN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)剿菰磾?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)奶牛溯源信息高效采集與實(shí)時(shí)傳輸。

2013年，張飛云[10]開發(fā)了基于ZigBee技術(shù)的豬舍控制系統(tǒng)。通過對(duì)豬舍內(nèi)溫濕度和氨氣濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，用來自動(dòng)控制換氣扇的轉(zhuǎn)速和保溫門的狀態(tài)，其目的在于自動(dòng)控制豬舍環(huán)境。

3 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取與處理技術(shù)，將其應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理中，可以對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行智能感知、智能預(yù)警、智能分析和智能決策，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化種植、可視化管理及智能化決策。本文通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀的介紹，可見在節(jié)能問題、節(jié)點(diǎn)部署、通信距離等關(guān)鍵技術(shù)上仍存在許多問題需要解決。但是隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展、完善和關(guān)鍵技術(shù)的解決，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

［1］崔莉,鞠海玲,苗勇,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2005,42(1):163-174.

［2］Leong B T,Chan T K,Sellappan P.Monitoring of an Aeroponic Greenhouse with a Sensor Network [J].IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security,2009,9(3):240-246.

［3］王福祿,房俊龍,張喜海.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,42(2):59-64.

［4］趙春江,屈利華,陳明,等.基于 ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測圖像傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(11):192-196.

［5］Alberto Pardossi,Luca Incrocci,Giorgio Incrocci,et al.Root Zone Sensors for Irrigation Management in Intensive Agriculture[J].Sensors,2009,9(4):2809-2835.

［6］趙養(yǎng)社.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,39(7):4203-4206.

［7］孫燕,曹成茂,馬德貴.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012(6):153-156.

［8］Hwang J,Yoe H.Study of the ubiquitous hog farm system using wireless sensor networks for environmental monitoring and facilities control[J].Sensors,2010,10(12):10752-10777.

［9］龐超,何東健,李長悅,等.基于 RFID與 WSN的奶牛養(yǎng)殖溯源信息采集與傳輸方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(9):147-152.

［10］張飛云.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的智能豬舍控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013(15):185-187.