无线传感网络在农业领域的应用现状

无线传感网络在农业领域的应用现状信管142-201408330517-池骋1、引言无线传感网络具有感知、计算和通信能力，正以一种“无处不在的计算”的新型计算理念，成为连接物理世界、数字虛拟世界和人类社会的桥梁，并开始广泛地应用于军事、工业、农业、环境资源监测、智能交通、智能家居和空间探索等多个领域，成为国际上信息领域的研究热点和竞争焦点，有着广泛的应用前景[1]。在现代化农业的研究上，及时迅速地获取相关信息是实施现代化农业生产和管理的一个重要环节。传统的实验室人工采集分析方法已经很难满足现代化农业信息采集实时性的要求。无线传感器网络以一种全新的信息获取方式，能实时、快速地将监测区域内的各种检测对象的信息远程传输到终端用户(如农业生产管理者)。管理者根据相关信息，结合专家经验，及时准确地做出决策和响应，科学实施农业生产和管理。2、无线传感网络概述无线传感器网络是由部署在监测区域内的多个传感器节点组成，节点具有感知采集、计算处理、无线通信和自动组网的能力，彼此相互协作，完成监测任务。2.1WSN系统构架及特点图1是一个典型的传感器网络的系统结构及整体构架。传感器网络由传感器节点、汇聚节点、现场数据采集处理决策及终端用户管理节点构成[2]。分布在监测区域的传感器节点对所监测的信息进行初步处理后，以多跳中继的无线方式把数据传到汇聚节点，然后经过卫星、互联网或移动通信网络等途径到达终端用户管理节点。终端用户也可以通过管理节点对传感器网络进行管理和配置，发布监测任务或收集处理回传的信息[3]。图1传感器节点通常是一个带外围传感器的低功耗嵌入式MCU，电池供电，计算和通信能力有限。节点具有终端采集和路由双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发过来的数据进行存储、管理和融合等处理。数据沿着节点逐跳进行传输，在传输过程中可能被多个节点处理，经过多跳路由最后传到汇聚节点[4]。汇聚节点又称网关节点，其数据处理能力、存储能力和通信能力相对较强，连接传感器网络与Internet和GPRS等外部网络,可以将节点传递过来的数据转发至外部网络，同时也能发布用户的监测任务至各个节点。汇聚节点可以是一个具有增强功能的普通传感器节点(足够的能量供给、更多的内存计算资源)，也可以是一个仅带无线通信接口没监测功能的特殊网关设备。2.2ZigBee技术简介在短距离无线通信技术中，蓝牙、WIFI、超宽带及ZigBee技术等均能应用WSN，并展现出各自的应用其中,，ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的关于无线组网、安全和应用等方面的技术标准，被广泛应用在无线传感网络的组建中,其特点[3]为：1）自动组网，网络容量大，ZigBee可容纳多达65000个节点，任意节点之间都可进行通讯。网络有星型、簇树型和网状型网络结构,节点加入、撤出或失效时网络具有自动修复功能。2）工作频段灵活，数据传输速率低。在868MHz，915MHz和2.4GHzdeng3个无需申请的ISM频段，对应的数据传输率为20～250kb/s，满足低速率数据传输的应用要求。3）模块功耗低。两节5号干电池可以支撑一个节点使用180-730天的时间，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。4）成本低。由于协议简单，数据传输率低且工作于全球免费频段，仅需要前期的模块费用。此外ZigBee还具有延时短、安全和可靠性好等特点，使得ZigBee与无线传感网络完美的结合在一起。目前，基于ZigBee的无线传感网络技术在现代农业中的信息采集及远程监控领域有着广泛的应用。3、WSN在现代化农业应用中的优势农作物的生长受到包括土壤的水分、有机质含量、酸碱度、光照度和温湿度等各种环境因素的影响。基于传统人工测量和报送的信息采集模式满足不了现代化农业生产和管理的要求。如果在农田中铺设基于有线网络的传感系统，则不便于农田的耕作,而且成本也较高，可靠性差[5]。无线传感网络能有效避免这些缺陷，在现代化农业应用中有如下优势：传感器节点体积小，在农田或温室大棚里布置方便，不影响耕作；节点功耗低，在不更换电池的情况下能工作180-730天的时间，基本能覆盖绝大部分农作物的一个耕作周期；不会对环境带来入侵时干扰，特别适合于牲畜家禽及其栖息地的无人干扰监测;节点除了具有监测功能外，还能实现定位；节点价格便宜，架设整套系统成本不高；网络的自组性、健壮性和抗毁性提供了快速部署网络的可能；适用于布线和电源供给困难的区域或恶劣环境中；网络一经部署常年适用，维护简单。4、WSN应用于农业的关键问题虽然WSN在农业相关领域有了相当多的应有，但由于它是一门新兴的科学,其自身还有很多问题有待深入研究和完善,很多应用还处于实验室理论研究验证阶段,真正推广还有很多实际问题有待解决。其主要表现在以下几个方面:一是网络的节能优化问题,如何最大化网络的生命周期,仍需合理的能量均衡路由算法;二是系统成本问题,尽管单节点成本不高,但在规模化网络中系统搭建成本依然不菲;三是节点部署问题,其合理性关系到网络的覆盖率、连通率和节能等多个方面;四是在确保数据的高度有效、可靠和安全等方面仍有待验证。5、无线传感器网络的农业应用目前无线技术在农业中的应用比较广泛，但大都是具有基站星型拓扑结构的应用，并不是真正意义上的无线传感器网络。农业一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。澳大利亚的CSRIOICTCenter将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况(脉搏、血压等)和外界环境进行监测，研制成完善的草地放牧与动物模型。以上是目前为数不多的无线传感器网络应用事例，其实无线传感器网络在大农业中的应用远不止这些，下面分别提出一些简单的应用思路和设想。5.1温室环境应用在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构)构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件，同时将生物信息获化,利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。系统应用结构见图2。图25.2节水灌溉应用具有简单控制功能的无线传感器网络节点，采用电池供电通过相关的电源处理可以控制不同中小功率的直流电磁阀(电动水动电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀及流量控制阀等)，加上节点的休眠状态将网络的工作时间延长到一年以上，如果采用太阳能电池板供电，能源方面就不需要过多的考虑。由于传感器网络多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积，节点数量不受到限制，可以灵活增减轮灌组，加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置、通信网关的Internet功能与RS和GPS技术结合的灌区动态管理信息采集分析技术、作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域,实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化,促进节水农业的快速和健康发展[6]。5.3环境监测及动植物生理生态监测过布置多层次的无线传感器网络检测系统,对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、环境、生理状况及种群复杂度进行观测研究,也可用于对森林环境监测和火灾报警(平时节点被随机密布在森林之中,平常状态下定期报告环境数据,当发生火灾时,节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地址、火势大小等信息传送给相关部门[7])。同时也可以应用在精准农业中,来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。6、结语无线传感器网络结合了多种先进技术,为人们提供了一种全新的信息获取、信息处理方式,被认为是影响人类未来生活的重要技术之一。尽管它在农业领域的相关规模化应用上还是受到一定的限制,但其在农业生产和管理中体现出的自动化、无线化、网络化和智能化的理念展现了美好的应有前景,非常值得深入研究。同时也给人们提出了很多新的挑战。本文通过对无线传感器网络节点构成、体系结构、研究热点及在农业中应用的介绍,可见无线传感器网络对国家和社会意义重大,国外对于传感器网络的研究正热烈开展,希望本文引起国内同行对此方面的重视,早日将无线传感器网络应用于农业中。参考文献[1]许力。无线传感器网络的安全和优化[M].北京:电子工业出版社，2010。[2]乔晓军，张馨，王成等。无线传感器网络在农业中的应用[J].农业工程学报，2005，21(s)：232-234。[3]崔逊学，左从菊。无线传感网络简明教程[M].北京:清华大学出版社，2009。[4]孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社，2005。[5]李海建，王民，王怀德，等。无线传感网络在农田信息采集中的应用[J].农机化研究，2008(3)：187-189.[6]康绍忠,蔡焕杰,冯绍元.现代农业与生态节水技术创新与未来研究重点[J].农业工程学报,2004，20(1):1-6.[7]孙利民，李建中,陈渝等。无线传感器网络[M]。北京:清华大学出版社，2005。