蘇曉軍

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院寧夏銀川750021）

面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述

蘇曉軍

（寧夏大學(xué)物理與電子電氣工程學(xué)院寧夏銀川750021）

本文在結(jié)合了國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，從技術(shù)到應(yīng)用各方面論述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之間的關(guān)系。從而得出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的實(shí)際應(yīng)用關(guān)系。本文還論述了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中所采用的農(nóng)作物信息采集節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)連通方式及通信協(xié)議等關(guān)鍵性技術(shù)，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出了在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。本文還給出了現(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的不足和將來的發(fā)展方向。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；信息采集系統(tǒng)

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有自組網(wǎng)、規(guī)模大、可靠性高、低傳輸延時(shí)、低功耗、低成本等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此得到了國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的大力關(guān)注。目前WSN已被充分用于工業(yè)、軍事、智能家居、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組成結(jié)構(gòu)

雖然針對(duì)具體應(yīng)用，可以為基于WSN的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配置特定的體系結(jié)構(gòu)，但是本質(zhì)上，WSN在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大田中的各種環(huán)境時(shí)應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

在WSN的內(nèi)部，每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以作為信息流的發(fā)送者或者接受者甚至可以作為路由。傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的信息經(jīng)過多跳的形式轉(zhuǎn)發(fā)，將其傳送給網(wǎng)關(guān)，最終將信息發(fā)送給用戶。如果傳輸距離比較遠(yuǎn)則借助廣域網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，其中，網(wǎng)關(guān)就是傳感器感知網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的橋梁。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 信息采集系統(tǒng)

不同的建模方法將會(huì)使得WSN具有不同的特點(diǎn)?；诖貥浣Y(jié)構(gòu)的建模一般是為WSN在農(nóng)業(yè)服務(wù)所建立的。簇樹結(jié)構(gòu)的建模是一個(gè)十分靈活的框架，同時(shí)此模型將WSN的節(jié)點(diǎn)和功能分層了，這也就導(dǎo)致了簇頭的節(jié)點(diǎn)會(huì)傳輸大量的數(shù)據(jù)流，這就導(dǎo)致能耗非常大，因此，不適用于隨機(jī)分布并且是動(dòng)態(tài)的WSN。因此一般根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要求，建立不用的網(wǎng)絡(luò)模型。

在滿足以上要求的同時(shí)，由于WSN的能耗要很低，同時(shí)其無線傳輸?shù)木嚯x也是很短的特點(diǎn)，因此WSN的存儲(chǔ)一般是在網(wǎng)絡(luò)外部存儲(chǔ)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

3.2.1 時(shí)間同步

由于之前無線網(wǎng)是不考慮能量節(jié)約的故其時(shí)間同步算法一般是只考慮將同步誤差做到最小?，F(xiàn)如今在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)由于能量有限故一般采用基于接收端-接收端的同步算法、基于發(fā)送端-接收端的單向同步算法和雙向同步算法相互融合的方法。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位是為了幫助用戶找到所控制的區(qū)域，當(dāng)前定位技術(shù)主要有兩種：①基于測(cè)距離的定位算法，此算法的定位精度高，但是用此類算法時(shí)對(duì)WSN的硬件設(shè)備的要求很高。②非測(cè)距定位算法。此算法的優(yōu)缺點(diǎn)正好和基于測(cè)距定位算法相反。

WSN拓?fù)淇刂品椒ㄖ饕梢苑譃閮深悾簩哟涡屯負(fù)淇刂坪凸β士刂?。層次型拓?fù)涫沁x擇其中一部分節(jié)點(diǎn)當(dāng)做簇頭節(jié)點(diǎn)，由簇頭節(jié)點(diǎn)形成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理的傳輸體系。功率控制通過調(diào)整無線網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，均衡節(jié)點(diǎn)數(shù)量和網(wǎng)絡(luò)能耗。

3.2.3 網(wǎng)絡(luò)安全

WSN由于是撒在野外并且節(jié)點(diǎn)容易被損壞，甚至節(jié)點(diǎn)能量消耗完畢后將被報(bào)廢。同時(shí)也由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以隨意移動(dòng)，并且這些節(jié)點(diǎn)可以互相為路由這就導(dǎo)致了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的安全機(jī)制不適用于WSN。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用存在問題及發(fā)展方向

4.1 感知問題及發(fā)展方向

目前，農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的傳感器種類有限，主要集中在空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤電導(dǎo)率、光照度、二氧化碳濃度等，不能感知生物生長(zhǎng)所需的全部環(huán)境信息。

今后的發(fā)展方向?qū)⑹侨娓兄?，WSN作為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基層，承擔(dān)著全部農(nóng)業(yè)的信息感知，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心。

4.2 傳感器的即插即用問題及發(fā)展方向

WSN使得農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)智能化程度不斷提高，所用到的傳感器越來越多，而不同廠家的傳感器之間兼容性很不好。無法實(shí)現(xiàn)傳感器在WSN中的即插即用，從而影響WSN在監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)環(huán)境中的應(yīng)用。

今后的發(fā)展方向?qū)⑹窃O(shè)計(jì)專用的傳感器節(jié)點(diǎn)，此節(jié)點(diǎn)可以包容各種類型傳感器，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一化從而實(shí)現(xiàn)信息傳遞。

4.3 控制軟件問題及發(fā)展方向

現(xiàn)如今研究農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)團(tuán)隊(duì)基本上都有自己的一套控制軟件，且界面、功能上都不盡相同。軟件的使用者一般是農(nóng)民，沒有經(jīng)過專業(yè)的培訓(xùn)，不了解軟件編輯者的意圖，這就導(dǎo)致了難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的需求。

今后發(fā)展方向：優(yōu)化軟件的設(shè)計(jì)，校正傳感器數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)。實(shí)現(xiàn)一個(gè)比較友好智能的人機(jī)互動(dòng)界面。

5 結(jié)論

自從溫總理在2009年視察無錫時(shí)提出的“感知中國(guó)”的理念，物聯(lián)網(wǎng)就在中國(guó)引起了高度重視，這就使得WSN在中國(guó)得到了快速的發(fā)展。同時(shí)基于WSN的物聯(lián)網(wǎng)也被評(píng)為可以改變世界核心的力量，是未來世界發(fā)展的一個(gè)重要指標(biāo)。故發(fā)展WSN具有很重要的應(yīng)用前景和社會(huì)意義。

[1]鐘鋼.國(guó)內(nèi)外溫室發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013，09：68～69.

[2]劉民靜.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[D].濟(jì)南大學(xué)，2014.

TP212.9

A

1004-7344（2016）28-0278-01

2016-9-16

蘇曉軍（1988-），男，河北石家莊人，在讀研究生，主要從事農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究工作。