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

蘇曉軍

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院寧夏銀川750021）

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

蘇曉軍

（寧夏大學物理與電子電氣工程學院寧夏銀川750021）

本文在結合了國內(nèi)外研究的基礎上，從技術到應用各方面論述了無線傳感器網(wǎng)絡與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之間的關系。從而得出了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡之間的實際應用關系。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、采集節(jié)點之間的網(wǎng)絡連通方式及通信協(xié)議等關鍵性技術，基于無線傳感器網(wǎng)絡提出了在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應用的結構。本文還給出了現(xiàn)階段無線傳感器網(wǎng)絡存在的不足和將來的發(fā)展方向。

無線傳感器網(wǎng)絡；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（WSN）具有自組網(wǎng)、規(guī)模大、可靠性高、低傳輸延時、低功耗、低成本等顯著優(yōu)點，因此得到了國內(nèi)外相關行業(yè)的大力關注。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)境保護等各個領域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡的組成結構

雖然針對具體應用，可以為基于WSN的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)配置特定的體系結構，但是本質(zhì)上，WSN在實時監(jiān)測大田中的各種環(huán)境時應用結構如圖1所示。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結構

在WSN的內(nèi)部，每個節(jié)點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)點所探測到的信息經(jīng)過多跳的形式轉發(fā)，將其傳送給網(wǎng)關，最終將信息發(fā)送給用戶。如果傳輸距離比較遠則借助廣域網(wǎng)進行互聯(lián)，其中，網(wǎng)關就是傳感器感知網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的橋梁。

3 無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵技術

3.1 信息采集系統(tǒng)

不同的建模方法將會使得WSN具有不同的特點?；诖貥浣Y構的建模一般是為WSN在農(nóng)業(yè)服務所建立的。簇樹結構的建模是一個十分靈活的框架，同時此模型將WSN的節(jié)點和功能分層了，這也就導致了簇頭的節(jié)點會傳輸大量的數(shù)據(jù)流，這就導致能耗非常大，因此，不適用于隨機分布并且是動態(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)絡模型。

在滿足以上要求的同時，由于WSN的能耗要很低，同時其無線傳輸?shù)木嚯x也是很短的特點，因此WSN的存儲一般是在網(wǎng)絡外部存儲。

3.2 網(wǎng)絡服務

3.2.1 時間同步

由于之前無線網(wǎng)是不考慮能量節(jié)約的故其時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)絡節(jié)點定位及網(wǎng)絡拓撲

網(wǎng)絡節(jié)點定位是為了幫助用戶找到所控制的區(qū)域，當前定位技術主要有兩種：①基于測距離的定位算法，此算法的定位精度高，但是用此類算法時對WSN的硬件設備的要求很高。②非測距定位算法。此算法的優(yōu)缺點正好和基于測距定位算法相反。

WSN拓撲控制方法主要可以分為兩類：層次型拓撲控制和功率控制。層次型拓撲是選擇其中一部分節(jié)點當做簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點形成數(shù)據(jù)轉發(fā)和處理的傳輸體系。功率控制通過調(diào)整無線網(wǎng)絡中所有節(jié)點的發(fā)射功率，均衡節(jié)點數(shù)量和網(wǎng)絡能耗。

3.2.3 網(wǎng)絡安全

WSN由于是撒在野外并且節(jié)點容易被損壞，甚至節(jié)點能量消耗完畢后將被報廢。同時也由于每個節(jié)點可以隨意移動，并且這些節(jié)點可以互相為路由這就導致了傳統(tǒng)網(wǎng)絡中的安全機制不適用于WSN。

4 無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應用存在問題及發(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、土壤電導率、光照度、二氧化碳濃度等，不能感知生物生長所需的全部環(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。無法實現(xiàn)傳感器在WSN中的即插即用，從而影響WSN在監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境中的應用。

今后的發(fā)展方向?qū)⑹窃O計專用的傳感器節(jié)點，此節(jié)點可以包容各種類型傳感器，并對其進行統(tǒng)一化從而實現(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)的各個團隊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，不了解軟件編輯者的意圖，這就導致了難以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的需求。

今后發(fā)展方向：優(yōu)化軟件的設計，校正傳感器數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合分析技術。實現(xiàn)一個比較友好智能的人機互動界面。

5 結論

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

[1]鐘鋼.國內(nèi)外溫室發(fā)展歷程、現(xiàn)狀及趨勢[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)絡的作物生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[D].濟南大學，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。