基于无线传感器网络的精准农业研究进展

分类：论文范文 发表时间：2021-11-11 11:01

　　摘要：无线传感器网络是集传感器、微处理器和无线通信等技术为一体的多学科的综合性技术，是当今信息领域中的一个研究热点。通过简述无线传感器网络的国内外研究现状，概括其特点与结构体系，重点分析了其在精准农业中的应用，并展望了其发展趋势。认为以无线传感器网络技术为基础的农业物联网是精准农业的发展方向。

　　关键词：无线传感器网络；精准农业；研究现状；展望

　　0引言

　　21世纪全球性农业潮流是农业信息化，它也是农业现代化的重要保证与根本标志。随着科学技术的不断发展和农业现代化与精确化生产要求的不断提高，精准农业已成为可以提高农业现实生产力的有效途径[1]。然而，在实施精准农业的过程中，如何简便快速地采集到作物的环境信息和生长信息成为了制约精准农业发展的重要问题。在采集信息的过程中，利用传统方法，在本就复杂的农田环境中加入错综的电缆和电线，使得整个系统的成本增加，可靠性低，不便于管理，同时节点的设置不能随着环境的变化而改变，而重新布网每次都需耗费大量人力物力[2]。因此，利用无线传感器网络(WSN)技术实现与农作物生长密切相关的各种环境因子信息采集、农业生产环境控制及海量信息管理服务等对促进和精准农业的研究极其重要。笔者简述了无线传感器网络的国内外研究现状，概括其特点与结构体系，重点分析了其在精准农业中的应用，并展望了其发展趋势。

　　1无线传感器网络（WSN）国内外研究概况

　　1.1WSN在国内发展概况

　　在农业环境领域，无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是由大量传感器协作，实时感知、监测作物环境信息，通过无线通信的方式进行传送，并通过嵌入式系统对信息智能处理，从而实现农业环境和作物信息的远程监测和管理[3]。与发达相比，无线传感器网络及其应用研究是同步的。1999年科学院《信息与自动化领域研究报告》中首次正式出现；2002年国内科研机构和高校如科学院软件所、自动化所及清华大学、哈尔滨工业大学等在传感器数据管理系统方面开展了研究工作；2004年，一项无线传感器网络项目被自然科学基金委员列入重点研究项目；2005年，将无线传感器网络关键技术和基础理论列入计划；2006年在《中长期科学与技术发展规划纲要》中定义了信息技术的3个方向，即2个智能感知技术和自组织网络技术与WSN直接相关，足已证明对WSN技术的重视[4]。

　　1.2WSN在国外发展概况

　　WSN的构想最初由美国军方提出，其尤为突出的有CEC、TRSS、WINS、SensorIT、SeaWeb、SmartDust、NEST等研究项目[7]。1995年，“智能交通系统项目规划”由美国交通部提出，该计划将五大技术（即数据通信技术、传感器技术、信息技术、计算机处理技术和控制技术）有效地集于整个地面交通管理，建立一个范围大、全方位的准确、实时、高效的综合交通运输管理系统[4]。Intel公司2002年发布了《基于微型传感器网络的新型计算发展规划》，该规划研究微型传感器网络在环境监测、森林灭火、医学、行星探测和海底板块等领域的应用[4,8]。美国科学基金委员会在2003年制定了WSN研究计划，该计划研究领域包括分布环境下传感器网络的特性、能感知有毒化学物、生物攻击等传感器节点问题[4]。在2005年对网络系统和技术的研究计划中，其方向为研究下一代安全的、可靠性高的可扩展的与可编程的网络、以及传感器系统的网络特性，其资助金额高达4000万美元[8]。

　　2无线传感器网络特点与结构体系

　　2.1无线传感器网络特点

　　大量的传感器节点组成WSN，而传感器节点在高效的路由协议和MAC协议控制下组织形成专用无线网络[11]。传感器节点可采集和处理环境的温度、光强度、压力等物理量从而获得准确详细的信息。其节点通过无线网络将信息发送到基站，基站再通过因特网或卫星将信息送到用户[12]。总结起来，WSN具有以下突出的特点。

　　2.1.1多跳路由

　　WSN中的多跳路由没有专门的路由设备完成，而是由普通节点协作完成的。传感器网络节点的能源依赖于电池来供应，而制约着网络的使用寿命的是每个节点的工作功率较低、覆盖范围较短、农业生产环境的地域范围较广等因素。因此，WSN的多跳性特性能较好的解决这一矛盾[13]。

　　2.1.2网络拓扑具有动态变化性

　　网络中的节点是处于不断变化的环境中，某个节点可能由于工作需要而被添加到网络中；而又一个节点也可能会因为电池能量耗尽或其他故障，退出网络运行。网络拓扑因此也在不断地调整变化，而这种变化方式是无人能准确预测的[14]。

　　2.2无线传感器网络节点类型及其功能

　　无线传感器网络的基本单元是节点。从网络功能来分，传感器节点又可以分为路由节点和终端节点。按照各自分工的不同，一般分为汇聚节点、管理节点和传感器节点[16]。其中汇聚节点是把传感器节点采集的信息进行汇聚然后发送至用户的控制终端，其功能相当于传感器网络的接口和一个用户控制终端。管理节点是用户操作的控制终端，其功能是对采集的信息进行显示、存储、决策等。传感器节点功能是对环境参数进行采集、处理，并对其信息进行融合、管理及路由，最后将信息发送到汇聚节点[17]。一般传感器节点由传感器模块、微处理器模块、能量供应模块和无线通信模块组成。其中传感器模块的功能是节点为不同的传感器提供可扩展接口；微处理模块是负责传感器节点的各模块的协调，对采集的数据进行处理，且完成部分通信协议；能量供应模块功能是为传感器节点提供运行所需的电源；无线通信模块功能是负责传感器节点之间的无线通信，收发采集信息和交换控制消息[12]。

　　3无线传感器网络在精准农业中的应用

　　3.1应用于精准灌溉

　　基于WSN的农情监测和自动灌溉控制系统在国内外这方面已经取得了一些可观的研究成果。刘卉[18]等设计了农田土壤温湿度监测系统，该系统的建立为精准农业决策灌溉研究具有重大意义。高军[19]等人采用GPRS网络与基于ZigBee技术的无线传感网络相结合的节水灌溉控制系统，根据作物用水规律和土壤墒情实施精准灌溉，有效地解决了农业灌溉用水利用率低的问题。高峰等[20]利用WSN技术设计作物水分状况监测系统，此系统的建立为精准灌溉提供了科学依据。闻珍霞等[21]开发了一套精准滴灌自动控制系统，该系统的开发根据作物生长需求定量定点、精准施肥与灌水从而实现了增产增效、节水节肥和保护农业生态环境等目标。杨婷等[22]设计制作了一种基于CC2430无线传感器网络的自动滴灌系统，该系统实现了作物需要滴灌的判断方法，从而减少浪费。Kim等[23]研发一种闭环控制自动灌溉系统，将一个分布式现场无线传感器网络和可控灌溉系统整合到一个闭环控制之中，以致于实现自动化变量灌溉。

　　3.2应用于环境监测

　　WSN在环境中的应用包括温室环境与大气环境2类，主要是监测农作物土壤温湿度与空气温湿度等变更情况。在国内外已取得一些研究成果。Kotam?ki等[24]通过WSN技术采集土壤湿度、水体混浊度、农业气象等信息对农业和水利管理决策的研究具有重要的意义。Park[25]利用ZigBee组建了温室监测系统，实现了自动控制温湿度。Pardossi等[26]利用WSN技术监测土壤湿度。Liu等[27]制作一套监测温室内光照、温度和土壤湿度等信息的WSN系统。

　　4WSN存在的问题与展望

　　4.1WSN存在的问题

　　4.1.1多种通信网融合

　　实现WSN与广域网之间的透明互联是实现WSN的大规模组网及不同感知子网络之间的互联互通的前提。因此，WSN与互联网络协议网络的互联与融合是未来重点关注问题，也是精细农业发展的一种趋势。其中尤为重要的是WSN与IPv6网络的互联与融合问题[38]。

　　4.1.2传感器成本

　　在农田环境中需要部署大量传感器来实现农作物的生理指标与农田环境信息的实时监测，因此，低成本传感器研发具有重要的意义[39]。

　　4.1.3网络系统的安全性

　　到目前为止，基于WSN的农业环境监控系统很少涉及到其安全问题，从而易使系统遭到攻击。尽管在农业系统中对其安全要求较低，但确保农业信息采集的准确性、安全性是有必要的。此类问题将会成为未来无线传感器网络技术的一个研究热点[40]。

　　4.1.4传感器的即插即用

　　目前在市场上总线的种类繁多，且其应用范围各不一样，导致其操作性与兼容性极差，而各个传感器制造厂商往往只生产满足特定总线接口的传感器，因此对传感器与通信网络之间的互操作性和兼容性影响很大，以致于无法实现传感器的热插拔和即插即用功能。该问题已成为阻碍基于WSN的设施农业环境监控系统应用推广的重要因素[41]。

　　4.1.5传感器节点功耗

　　传感器节点由电池供电，可用电量有限，而对已部署大量传感器节点的农业环境来说，更换电池是很难甚至是不可能的。因此，研制体积小、容量大、寿命长、能量转换和储存效率高的新型储能电池，是降低WSN功耗的关键[42]。同时该问题的解决具有广阔的应用和产业化前景。

　　4.2展望

　　农业信息化是农业现代化的重要组成部分，可作为实现当代农业产业化的主要催化剂。当前，精准农业已成为农业现代化深入推进的发展方向，而利用无线传感器网络技术采集与高效管理农作物生长相关的各种环境信息是促进和推动精准农业发展的主要方法之一。笔者在综述了国内外无线传感器网络技术发展背景与现状的基础上，比较全面地介绍了该技术的特点与结构体系，并分析了其在精准农业中的应用现状及目前存在的几个主要问题。结合笔者自身研究工作实际，认为以无线传感器网络技术为基础的农业物联网是精准农业的发展方向，为进一步深入发挥该技术在农业现代化和精准农业上的重要作用，认为今后应重点关注如下几个方面：

　　（1）无线传感器网络与互联网络协议的互联与融合；（2）进一步降低技术示范和推广成本，重点在于降低传感器的开发和生产成本；

　　（3）拓展传感器与通信网络之间的兼容性，努力实现传感器的热插拔和即插即用；

　　（4）降低能耗，研发新型功能电池，尽可能延长电池工作时间和使用寿命，提高工作效率。

　　参考文献

　　[1]刘爱民,封志明,徐丽明.现代精准农业及我国精准农业的发展方向[J].农业大学学报,2000(2):24-26.

　　[2]张小超.面向精准农业的GPS信号处理与定位方法研究[D].北京:农业大学,2004.

　　[3]韩文霆,吴普特,郁晓庆,等.农业环境信息无线传感器网络监测技术研究进展[J].农业工程学报,2011,27:326-329.

　　[4]高峰.基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控系统研究[D].浙江杭州:浙江工业大学,2009.

　　[5]冯友兵,张荣标,谷国栋.WSN在节水灌溉中的应用研究[J].农村水利水电,2007(2):24-26.

　　[6]李震,Wallgning,洪添胜,等.农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计[J].农业工程学报,2010,26(2):212-217.

　　[7]韩红彦,张西红,张晓.无线传感器网络研究[J].科学技术与工程,2007,7(8):1701-1706.

　　瞿华香1，赵萍2，陈桂鹏1，丁建1

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