基于WSN的農(nóng)業(yè)信息研究緒論＊

萬 毅，劉 寶，周 杰

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基于WSN的農(nóng)業(yè)信息研究緒論＊

萬 毅，劉 寶，周 杰

（石河子大學信息科學與技術學院，新疆 石河子 832003）

在社會經(jīng)濟迅速發(fā)展的今天，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人數(shù)越來越少。但是民以食為天，對農(nóng)作物進行種植時，外界的許多因素都在影響其生長和發(fā)育，比如土壤溫濕度、酸堿度、光照強度等。農(nóng)業(yè)要想朝著現(xiàn)代化、信息化的方向發(fā)展，如何準確高效地對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作物信息數(shù)據(jù)進行采集和處理顯得尤為重要。重點介紹了WSN的技術基礎及其在農(nóng)業(yè)方面應用的便利條件，敘述了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面對的實際情況，對WSN在農(nóng)業(yè)方面的使用做了簡單論述。說明優(yōu)化WSN無線傳感器網(wǎng)絡技術是未來農(nóng)業(yè)研究的方向。

WSN；農(nóng)業(yè)信息化；智能化；數(shù)據(jù)采集

1 WSN應用背景與國家政策

我國地處黃河、長江流域，自古以來以農(nóng)業(yè)為基礎，耕地面積大而廣。雖然我國水資源總量居世界第六位，但是我國人口基數(shù)大，導致水資源個人平均占有量比較低。其中，農(nóng)業(yè)所需澆灌用水只從江河供應是遠遠不夠的，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中所需要的灌溉用水占據(jù)了我國水資源總使用量的70%.根據(jù)調(diào)查顯示，自20世紀末以來，我國農(nóng)業(yè)土地受旱災影響已達230 000 km2以上，因缺水導致糧食年產(chǎn)量下降約1 000億公斤。隨著科學技術日益發(fā)展，社會也在日益進步，我國生活用水與工業(yè)用水需求量出現(xiàn)大幅度增長，因此更加劇了水資源匱乏與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水之間的供給與需求的不平衡。我國人均水資源占有量比較低，且我國的水資源浪費情況嚴重，平均利用率為40%左右，與發(fā)達國家的85%相比，遠遠低于西方發(fā)達國家的平均水平。對比數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，我國對水資源的使用有廣闊的節(jié)水空間。

因而，節(jié)水澆灌技術成為節(jié)約水資源、提高水資源利用率的主要方法。實現(xiàn)水資源適量實時的自動化灌溉不可或缺，而作物實時需水信息的提供傳輸與分析成為了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的運用普及過程中的塔尖問題。與發(fā)達國家相比，我國基于WSN節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)技術與農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[1]才處于剛剛起步發(fā)展階段。從20世紀中葉開始美國憑借運用計算機的優(yōu)勢性能分析探索飼料問題到現(xiàn)在，農(nóng)業(yè)信息化在美國的利用已經(jīng)從最基礎的農(nóng)業(yè)方面的科學轉向聯(lián)合遙感（RS）技術、仿真模型技術、不間斷數(shù)據(jù)采集傳感器（CDS），人工智能、3S技術以及決策支持系統(tǒng)（DSS）等各種高新科技手段的信息化農(nóng)業(yè)。憑借這些高新技術手段，美國從需要進口糧食的國家變?yōu)榱思Z食出口大國。目前，信息化農(nóng)業(yè)在北美、西歐、大洋洲等發(fā)達國家主要所在地如雨后春筍開始興起。我國對信息化農(nóng)業(yè)方面的研究探索和西方發(fā)達國家相比都要晚許多，但到了21世紀初，隨著黨和國家對農(nóng)業(yè)的重視，政府提出了關于指向“農(nóng)民、農(nóng)業(yè)、農(nóng)村”的政策，伴隨著政策具體落實到千家萬戶，我國各個地區(qū)的農(nóng)業(yè)技術水平都在突飛猛進的發(fā)展，特別是在農(nóng)業(yè)信息化的開發(fā)促進方面更加得到黨和政府的重點批示。怎樣準確方便地將田地中的各種所需數(shù)據(jù)精確采集，讓種植戶足不出戶就看到農(nóng)作物生理形態(tài)與生長信息，并且根據(jù)情況通過由職業(yè)技術人員診斷系統(tǒng)進行所得數(shù)據(jù)的分析與診斷，顯示出最優(yōu)化的處理結果，是現(xiàn)在和將來很長的一段時間內(nèi)我國農(nóng)業(yè)信息化方面的重點研究方向。

2 WSN技術特點及其使用技術

伴隨著WSN技術、無線通信技術、嵌入式系統(tǒng)和分布式信息處理等先進技術的發(fā)展，微傳感器以其所占空間小、質(zhì)量輕、性能好、能量消耗少、易于集成等特點，在國家防御、制造業(yè)、生物工程、三農(nóng)、交通運輸、航空航天等領域得到了廣泛的應用。無線傳感器網(wǎng)絡是一種以自組織方式由大量靜態(tài)或移動微傳感器組成的無線網(wǎng)絡[2]。其目的是促進地理區(qū)域傳輸網(wǎng)絡所涵蓋的傳感物體的實時傳感、收集和處理，之后把這些形成的信息發(fā)送給該WSN網(wǎng)絡的持有者。我國進入21世紀以來，農(nóng)業(yè)信息化是黨建設現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重大戰(zhàn)略決策之一。具有先進的基于WSN技術的儀器和信息處理皆由電腦自主識別判別分析技術是保證農(nóng)業(yè)信息準確的重要的方法。

WSN技術是由傳感器技術、MEMS、微波通信技術、嵌入式系統(tǒng)技術和分布式處理系統(tǒng)所組成，有許多的優(yōu)點，如易于架設、自行部署網(wǎng)絡、低能耗、制造成本低廉、靈活通信等，將其應用于節(jié)水灌溉、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領域已成為目前WSN研究的重心之一[3]。無線傳感器技術對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息化過程的智能化管理是非常有利的，并且是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高科技技術實現(xiàn)農(nóng)業(yè)原有資料的管理，農(nóng)業(yè)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程分布信息采集、收取和精細化、智能化管理的重要輔助支持技術。將WSN技術使用在智能化澆灌系統(tǒng)中，是處理精確灌溉具體化操作過程中作物需水信息的遠距離收集采取問題的有效手段。

WSN為農(nóng)業(yè)地區(qū)不同的環(huán)境檢測處理和加工指出了一條可靠便捷的康莊大道。因為我國的農(nóng)業(yè)分布范圍比較廣，如能全面建立基于WSN的網(wǎng)絡節(jié)點監(jiān)測網(wǎng)絡，實時采集土壤的溫度、濕度、pH值、降雨量和壓強等數(shù)據(jù)，進而檢測生產(chǎn)作業(yè)中是否需要灌溉，從而達到及時灌溉的目的。在農(nóng)田中大規(guī)模布置WSN節(jié)點可以對監(jiān)測區(qū)域的可變環(huán)境中的不同的信息進行日夜不間斷地采集收取，收集的信息通過中間服務器中轉最終傳輸?shù)浇K端，通過對這些數(shù)據(jù)的分析與處理，農(nóng)戶可以適當?shù)馗鶕?jù)農(nóng)田中種植的作物進行一系列正確的操作，也使農(nóng)田管理擁有了切實有效的數(shù)據(jù)。第一時間收集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地域各種農(nóng)田信息是農(nóng)業(yè)信息化的重要基礎，如何準確、快速、有效地獲取田間地頭的各類所需數(shù)據(jù)是當前農(nóng)業(yè)信息化急需探索研究的課題。農(nóng)田不同環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集收取需要依靠壓強、水量、土壤溫濕度等不同的傳感器，所以在此條件下使用的微型傳感器可能會具有不同的初始能量，而且傳感器節(jié)點會感應、采集和傳輸大小不一的數(shù)據(jù)信息集合，導致各個傳感器消耗能量的速度也不盡相同，從而形成異構網(wǎng)絡。因此對不同農(nóng)田信息采集監(jiān)測處理的異構WSN網(wǎng)絡的研究具有重大的學術意義和社會意義。

3 WSN在農(nóng)業(yè)智能化澆灌中的應用及其推廣

中國近年來，陸續(xù)開展了把WSN技術應用在智能化澆灌處理系統(tǒng)等一系列的研究，中國科技大學則對集約澆灌農(nóng)業(yè)監(jiān)控體系中的無線傳感器進行了初始的實踐研究探索；中國農(nóng)業(yè)大學研究中心的某些院士研究水平比較高，可以基于不同地區(qū)農(nóng)田的土壤條件與環(huán)境，為精準化農(nóng)業(yè)地域的不同與智能化灌溉研究提供了實際有效的數(shù)據(jù)。

總體來說，當前我國的智能化精細化灌溉的科學手段與基于WSN的信息采集處理系統(tǒng)應用還不廣泛，基于WSN無線傳感器及其在精細化準確化灌溉控制系統(tǒng)中的應用依然處于探索階段，必須開始研究滿足精確灌溉和農(nóng)業(yè)信息檢測方面的實施需求的WSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵技術。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)收取采集手段相比，異構WSN[4]具有如下有利的特點：①微型無線傳感器所占空間比較小，且架設儀器時方便快捷，不需要多次架設，所以無線傳感器的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域不可抗力因素所造成的誤差比較?。虎诓捎没赪SN的網(wǎng)絡節(jié)點使用的是自組織技術，微型無線傳感器的數(shù)量不受限制，而傳感器的種類又有許多，所以利用數(shù)百個乃至成千上萬個各種不同種類的傳感器就能實現(xiàn)多區(qū)域大面積的準確方便地采取收集該覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)信息；③微型傳感器自身具有基本的存儲和運算功能，當無線傳感器網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的環(huán)境發(fā)生變化時，如溫度、濕度、壓強等，可以自行調(diào)整，準確地獲取地理信息數(shù)據(jù)。我國若構建基于WSN的無線傳感器網(wǎng)路應用于節(jié)水精確灌溉系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)信息化數(shù)據(jù)獲取處理系統(tǒng)，就可以使當前農(nóng)業(yè)信息化中存在的成本、數(shù)據(jù)收集采取、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)确矫娲嬖诘纳形赐晟频膯栴}得到一定的解決。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所處的地理環(huán)境存在監(jiān)測物種多樣、面積分布廣、分布地遠離城市、通信條件落后等特點，因此在很多情況下，對于田間地頭數(shù)據(jù)信息的獲取更加不便。借助于異構WSN，可以實時獲取所處地理環(huán)境的溫度、濕度、含水量等數(shù)據(jù)，也可以得到農(nóng)作物的各種生長信息、生長指標和遇到蟲害營養(yǎng)不良時的警告信息等。通過基于WSN無線傳感器的信息采集收取處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)我國的農(nóng)業(yè)信息現(xiàn)代化，加快我國科技強國的步伐。

4 結論

農(nóng)業(yè)地理環(huán)境數(shù)據(jù)的收集與傳輸，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分，也是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)在未來的發(fā)展趨勢。所以優(yōu)化WSN無線傳感器網(wǎng)絡技術以及發(fā)展基于WSN的穩(wěn)定、高效的農(nóng)業(yè)智能化系統(tǒng)是未來研究的方向。

［1］常超，鮮曉東，胡穎.基于WSN的精準農(nóng)業(yè)遠程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計［J］.傳感技術學報，2011，24（6）：879-883.

［2］駱凱，李淼，胡澤林.基于WSN的農(nóng)業(yè)信息遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2008（4）：14-17.

［3］劉媛媛，朱路，高波，等.基于WSN的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)軟件開發(fā)［J］.華東交通大學學報，2013（4）：59-64.

［4］鄒志勇.農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)遠程檢測WSN網(wǎng)關的研究與設計［D］.咸陽：西北農(nóng)林科技大學，2010.

S126

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.088

2095－6835（2018）22－0088－02

國家自然科學基金項目（編號：61662063）；兵團重大科技項目（編號：2017AA005-04）；石河子大學高層次人次啟動項目（編號：RCZX201530）

周杰（1982—），男，湖南湘鄉(xiāng)人，副教授，博士，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術。

〔編輯：嚴麗琴〕