無線傳感器網(wǎng)絡技術及其在農(nóng)業(yè)自動化中的應用

陶夢江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網(wǎng)絡技術及其在農(nóng)業(yè)自動化中的應用

陶夢江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網(wǎng)絡技術現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應用。我國農(nóng)業(yè)未來發(fā)展趨勢應走向自動化，高效率，高精度的機械化，智能化生產(chǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)中的運用是推進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)走向智能化、自動化的最可行的方法之一。

無線傳感器；網(wǎng)絡技術；農(nóng)業(yè)自動化

1 無線傳感器網(wǎng)絡研究背景以及發(fā)展現(xiàn)狀

隨著半導體技術、通信技術、計算機技術的快速發(fā)展，90年代末，美國首先出現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）。WSN是由布置在監(jiān)測區(qū)域內傳感器節(jié)點以無線通信方式形成一個多跳的無線自組網(wǎng)（Ad hoc），其目的是協(xié)作的感知，采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者是WSN的三要素。將Ad hoc技術與傳感器技術相結合，人們可以通過WSN感知客觀世界，擴展現(xiàn)有網(wǎng)絡功能和人類認識世界的能力。WSN技術現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應用。

2 WSN技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化中的應用

2.1 我國農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展過程受到了社會以及自然兩方面的影響。我國是農(nóng)業(yè)大國，建國初期，為了解決糧食供應短缺問題，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，注重產(chǎn)量，當前我國溫飽問題基本得到解決，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應該用經(jīng)濟效應來衡量，注重產(chǎn)業(yè)效率，我國大部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相當?shù)穆浜?，仍然靠人力、畜力耕種，限制了勞動力，提高了生產(chǎn)成本。因此我國農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢應走向自動化，高效率，高精度的機械化，智能化生產(chǎn)。

2.2 WSN技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用

2002年，英特爾公司在餓勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，將無線傳感器結點人工分布在葡萄園中，對園中土壤的溫度以及養(yǎng)分含量等作物生長條件進行實時監(jiān)控。杭州齊格科技有限公司與浙江農(nóng)科院合作研發(fā)了遠程農(nóng)作物管理決策平臺，該平臺利用了WSN技術實現(xiàn)對農(nóng)田的溫度、濕度、光照等信息的監(jiān)測。北京市“蔬菜生產(chǎn)智能化網(wǎng)絡傳感器體系研究與應用”項目，將WSN應用于溫室蔬菜生產(chǎn)中。將溫室作為一個監(jiān)控區(qū)，使用WSN技術對溫度、PH值、含水量、光照強度等進行測量，根據(jù)實際需要，對溫室條件進行調整，以達到農(nóng)作物生長的最佳條件，增加作物產(chǎn)量。在大規(guī)模部署傳感器節(jié)點時可以通過飛機播撒，人工設置，火箭彈射等方式部署在預設區(qū)域。無線傳感器網(wǎng)絡具有的實時性監(jiān)測，無線通信特點，使其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有很大發(fā)展前景。典型應用如下：

1）農(nóng)業(yè)灌溉自動化控制技術

我國是個貧水國家，水資源總量居世界第4位，人均僅為第121位。農(nóng)業(yè)用水占總用水量的七成，但我國農(nóng)田灌溉十分落后，水的實際利用率很低，浪費嚴重，與發(fā)達國家相比仍有差距。采用自動灌溉系統(tǒng)，在土壤中人為安放水分傳感器、溫度傳感器，對農(nóng)作物的生長條件進行監(jiān)控，根據(jù)實際，進行自動供水和自動按一定順序進行灌溉。

2）溫度自動調控

蔬菜生產(chǎn)中，溫室生產(chǎn)規(guī)模正在逐步擴大，傳統(tǒng)溫室監(jiān)控系統(tǒng)成本高，移動性差等問題很突出。近年來，節(jié)能高效的WSN技術正在溫室監(jiān)控領域興起?；赪SN的溫度監(jiān)控系統(tǒng)由匯聚節(jié)點和子節(jié)點構成。將傳感器分布在溫室中監(jiān)控溫室內土壤溫度、濕度、PH值、光照強度等，通過無線網(wǎng)絡傳到匯聚結點，匯聚結點對數(shù)據(jù)進行處理，將命令通過無線網(wǎng)絡下發(fā)給調控節(jié)點，調控節(jié)點根據(jù)所得命令對灌溉設備、加熱器等進行控制，改變溫室條件。匯聚節(jié)點還可接受人工控制，與互聯(lián)網(wǎng)連接，使用戶可以進行遠程監(jiān)控。

3 WSN在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用

3.1 WSN實際應用中的問題

在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，節(jié)點工作環(huán)境惡劣，網(wǎng)絡規(guī)模較大，節(jié)點數(shù)目多，在保證網(wǎng)絡規(guī)模的同時，要考慮網(wǎng)絡成本，為了實現(xiàn)實時監(jiān)控，傳感器的施放位置很難定位，節(jié)點能量有限，節(jié)點可能會失效，WSN在實際應用中的問題如下：

1）網(wǎng)絡規(guī)模較大

節(jié)點必須盡可能大規(guī)模高密度部署，保證監(jiān)控區(qū)域的覆蓋范圍和連通度，否則無法實施網(wǎng)絡的自組和數(shù)據(jù)匯聚，而大規(guī)模組網(wǎng)，使生產(chǎn)成本增加，降低了經(jīng)濟效益，影響網(wǎng)絡實際應用。

2）對于網(wǎng)絡容錯的解決

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，各傳感器網(wǎng)絡所監(jiān)控到的數(shù)據(jù)的準確性對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)非常關鍵。及時了解節(jié)點的狀況，進行網(wǎng)絡容性處理對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響十分重要，而網(wǎng)絡容錯所要處理的問題主要是節(jié)點檢測和節(jié)點恢復。節(jié)點檢測則需要GPS對其定位，若在大范圍的布置GPS設備，會提高成本，保證節(jié)點定位同時保證經(jīng)濟效益是需要解決的問題。節(jié)點恢復，常常用冗余的節(jié)點替換失效的節(jié)點功能的方法解決，但對冗余節(jié)點的位置與數(shù)量有一定要求。

3.2 WSN的關鍵技術

由WSN的結構特殊性，對于WSN在實際應用中應該掌握以下關鍵技術：

1）節(jié)點定位

定位技術是位置未知節(jié)點根據(jù)少數(shù)參考節(jié)點，根據(jù)特定的機制確定自身位置，包括節(jié)點自定位和網(wǎng)絡區(qū)域內的目標定位跟蹤。節(jié)點自定位是指確定網(wǎng)絡中節(jié)點自身位置，是部署組網(wǎng)的基本要求。目標定位跟蹤通過網(wǎng)絡中節(jié)點之間的配合完成對網(wǎng)絡區(qū)域中特定目標的定位和跟蹤，一般建立在節(jié)點自定位的基礎上。常用方法用三邊測量法，三角測量法和極大似然估計法。

2）與其它網(wǎng)絡的融合

WSN與現(xiàn)代網(wǎng)絡融合將大大提高WSN的實際應用功能，將WSN與移動通信網(wǎng)絡、Inter網(wǎng)融合，一方面WSN可以借助著兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡進行通信；另一方面可以利用傳感信息實現(xiàn)新的發(fā)展。

4 結論

WSN絡融合了嵌入式技術、計算機網(wǎng)絡技術和通信技術等現(xiàn)有的先進技術，自主實現(xiàn)對各種信息的采集、傳輸和處理，是一種有廣泛發(fā)展前景的監(jiān)控網(wǎng)絡技術。為人們提供了一種全新的信息采集、信息處理和信息利用的方法，具有自主性，實時性特點，適合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。文章通過對WSN的組成、體系結構和關鍵技術的簡介和其在實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應用實例，說明WSN在推動農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化中的作用。

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TP393

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1674-6708（2010）18-0129-02