基于認知無線電的農業物聯網架構的研究

杜 紅，富 爽，許 杰，初洪娜

(1. 黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319；2. 大慶油田信息技術公司 北京分公司，北京 100043)

基于認知無線電的農業物聯網架構的研究

杜 紅1，富 爽1，許 杰1，初洪娜2

(1. 黑龍江八一農墾大學 信息技術學院，黑龍江 大慶 163319；2. 大慶油田信息技術公司 北京分公司，北京 100043)

物聯網是當今研究的一個熱門技術，我國作為農業大國，在現代化大農業的發展中，物聯網技術在智慧農業中得到很好的應用。認知無線電是一類智能無線通信技術，能夠通過對周邊環境的感知而發現空閑的可用頻譜資源，從而提高頻譜利用率。將農業物聯網與認知無線電技術相結合，能夠緩解農業物聯網所面臨的頻譜資源緊張問題。分析了物聯網頻譜研究涉及的方面和頻譜管理的現狀，將認知無線電頻譜感知技術應用到農業物聯網環境中，研究基于認知的農業物聯網的網絡架構，提出了認知無線電技術在農業物聯網中應用帶來的挑戰。

農業物聯網；認知無線電；網絡架構；物物通信；頻譜資源

物聯網(Internet of Things， IOT)是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第3次浪潮。物聯網的出現很快得到極大的關注，成為當前信息技術領域的研究熱門。在物聯網中，物與物之間(Machine-to-Machine， M2M)的通信不需要或只需要較小的人為參與就可實現。不同類型的設備(比如傳感器)能夠相互通信并交流數據信息，這種類型的物物通信被認為是未來通信領域中關鍵的一部分。隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網已經得到了廣泛的應用，比如在智能家居、工業、農業、智慧城市、醫療、運輸、電網等方面。我國作為農業大國，物聯網在現代農業中的應用也越來越廣泛，通過使用無線傳感器網絡可以獲取農作物生長環境和信息，從而通過遠程控制監測到農田信息。農業物聯網技術的應用可以更好地控制農作物的生長環境，使之能夠更好地適應作物的生長。物聯網在農業的應用，是農業現代化發展的重要標志[1-2]。

在實際應用過程中，物聯網技術面臨著許多挑戰，需要無線通信技術感知周圍環境，實時監測并匯報數據信息，這將會導致頻譜資源面臨緊缺不足的問題[3]。為了解決這些問題，提出一種新的通信方式，稱為認知物聯網。這種網絡是將認知無線電(Cognitive Radio)的頻譜感知等技術應用到物聯網中，在一定程度上解決物聯網對頻譜資源需求緊張的問題。

在認知物聯網中，認知無線電能夠使物體感知周圍的環境并利用尚未被利用的頻譜資源，在相同的頻率范圍內，通常存在兩種系統：授權主系統和次要的物物通信系統。授權主系統是指使用合法頻譜的授權系統，對分配的頻譜資源具有絕對的使用權。次要的物物通信系統是指未被授權的具有認知功能的物物通信系統，可以機會式的接入授權主系統不用的空閑頻譜資源。

目前，國內外對具有認知功能的物聯網的研究文獻較少，尤其是將認知無線電的頻譜感知技術與農業物聯網緊密結合，還沒有太多的理論研究。為此，本文的主要研究工作就是進一步深入研究頻譜感知技術在農業物聯網中的使用，以及基于認知農業物聯網的系統架構，最后討論了基于認知的農業物聯網還需要解決的幾個方面，為以后的進一步研究提供借鑒。

1 農業物聯網的頻譜資源使用分析

在農業物聯網中，如圖1所示，主要分為3層網絡結構：感知層、傳感層和應用層。具體地，感知層包括溫度傳感器、土壤濕度傳感器、視頻攝像傳感器和土壤成份傳感器等；傳輸層主要利用3G/4G、藍牙和WiFi等技術實現實時監測的數據信息的傳遞與匯聚；應用層主要是專家通過視頻監控系統實時監測農作物生成情況，分析處理相關數據，進行遠程系統控制操作，農作物種植人員也可通過遠程移動終端實時獲取相關數據[2]。

圖1 農業物聯網3層網絡結構

在農業物聯網中，感知層與傳輸層主要通過無線頻譜資源實現實時監測與信息傳輸，在信息傳輸中，視頻傳輸要求是最高的，也是占用頻譜最多的業務。

農業物聯網中感知層的關鍵技術是射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)，RFID通過無線連接進入物聯網，國際上RFID空中接口常用的超高頻(UHF)頻段頻譜資源大多選擇在ISM頻段和移動通信800/900 MHz頻段[3]，如表1所示。ISM頻段是免授權的公用頻段，在該頻段存在大量的通信業務，不同系統間的干擾嚴重是物聯網使用ISM頻帶的主要問題，這將在一定程度上影響物聯網的傳輸性能和監測數據的準確性。

表1 物聯網中RFID對頻譜的使用頻段

頻段類別具體頻段ISM頻段43392MHz±870kHz869525MHz±125kHz915MHz±13MHz移動通信頻段24125GHz±125MHz840～845MHz920～925MHz

以物聯網技術當前的發展程度，將有越來越多的應用場景使用物聯網，將會產生越來越多的智能終端，實現物物通信，甚至會超過目前人與人之間的通信互聯。因此，頻譜資源的短缺將成為物聯網發展難以克服的瓶頸[4-7]。

以農業物聯網的應用為例，一個農作物生長環境中布設幾十個甚至上百個傳感器節點，這些傳感器需要通過無線方式連接，同時，傳感器節點還需要將采集到的數據信息上報到匯聚節點，并根據遠程中央控制系統進行相應數據處理操作。這些過程無一不需要大量的頻譜資源得以實現。

農業物聯網中有小流量的物物通信，比如對農作物土壤溫濕度的感知，實時上報當前種植生長環境的信息數據，也有占用高帶寬的視頻監控業務，且對圖像的連續性和實時性有較高要求，這就對所使用的頻譜要求較高，較窄的頻帶和存在一定系統間干擾的頻段就無法滿足視頻監控業務。

2 認知無線電在農業物聯網應用可行性分析

前面詳細分析了物聯網應用過程中對頻譜資源的需求，鑒于此因素，考慮將認知無線電技術應用在農業物聯網中，認知無線電技術的出現就是為了解決當前部分頻譜資源緊缺部分頻譜資源空閑浪費的矛盾。除了頻譜資源因素外，還有以下幾個方面是將認知無線電技術與物聯網中的物物通信結合的原因。

2.1 海量智能終端進行物物通信

消除頻譜擁塞是將認知無線電用于物聯網中物物通信的最主要原因。在農業物聯網中，物物通信的主要挑戰是大量智能終端的急劇增加，大量的無線傳感器節點需要分布在整個農田環境中，實現農作物生長的實時監控和信息的傳遞，對頻譜的需求量也急劇增加，而認知無線電利用頻譜資源可以支持大規模數據傳輸。

2.2 節約能源問題

智能無線設備是一種低成本、低功耗的裝置，目的是為了長時間工作而不需要更換電池。在這種情況下，對于物聯網的物物通信來說，通過優化節點的傳感和處理，從而節約能源是非常重要的。而認知無線電是一種綠色節能的技術。在次要網絡中具有認知功能的智能設備能夠基于周圍環境自適應地調整其傳輸功率，同時保證對授權網絡并不會造成有害的干擾。這種內在的感知和適應性功能使認知無線電的成為未來無線電系統的關鍵技術。

2.3 干擾問題

在物物通信中存在越來越密集的干擾，包括在ISM頻段內免授權系統間的內部無線信號干擾，以及外部電子設備的電磁干擾。物聯網中的物物通信會受這樣的共存干擾而導致性能衰退。通過利用認知無線電重配置功能，智能無線設備能夠快速切換到不同的無線模式，并因此可大大減少甚至避免與其他設備或外部無線環境的干擾。

3 認知農業物聯網系統結構

目前，關于農業物聯網應用的發展項目有很多：土壤成份的分析監測，可以及時對農作物進行灌溉和溫度的控制；農業大棚溫室監控，可以連續監測土壤濕度數據；農作物種植人員可以通過移動智能終端隨時查看農作物生長信息數據，根據專家分析數據給出的建議，用移動終端對施肥等控制。

圖2顯示了認知農業物聯網的網絡架構，整個網絡由兩部分構成：授權網絡和帶有認知功能的農業物聯網。在認知農業物聯網中，認知節點與授權用戶共存，并且機會式接入可用的頻譜資源。

圖2 基于認知的農業物聯網架構圖

授權網絡是指現存的對無線頻譜有使用資格的網絡，比如移動通信中獲得頻譜牌照使用權的3G和4G網絡運營商。盡管認知網絡中認知節點通過頻譜感知可以機會式的利用空閑的頻譜資源，但授權網絡對頻譜資源具有絕對的優先使用權。在授權網絡中，授權用戶是指按一定規則允許接入的用戶，這些用戶通常付費給運營商，從而享受相應的移動業務。比如，蜂窩移動網絡中的移動終端用戶，或者電視廣播網絡中的電視用戶。授權系統的基站主要是指授權網絡中的中心控制節點。

認知農業物聯網是指具有認知無線電功能的農業物聯網，它是將認知無線電的頻譜感知技術與農業物聯網中感知層與傳輸層相結合的網絡。認知農業物聯網只允許以機會式的方式接入空閑的頻譜資源，不能對授權網絡造成有害的干擾。

圖2中認知農業物聯網是認知無線網絡與農業物聯網的結合。認知節點通過頻譜感知功能感知當前無線環境中是否存在空閑的可用頻譜資源，將頻譜感知結果報告給認知基站，認知基站通過一定的信息融合判決準則，做出最終的當前頻譜資源使用情況，并將空閑的頻譜資源發送給農業物聯網中的匯聚基站。在農作物種植區域內，有各種傳感器將土壤的溫濕度等信息發送給匯聚節點，還有攝像機實時監測當前農作物生長環境匯報給匯聚節點，匯聚節點將數據發送到數據存儲服務器中，農作物專家遠程對數據的分析和處理，農作物種植人員也可以通過遠程智能終端實時獲取農作物生長情況，比如是否需要進行灌溉等。

基于對農業物聯網中感知層和傳輸層需要大量頻譜資源的分析，感知層中視頻攝像傳感器和土壤溫濕度傳感器等設備需要頻譜資源完成實時監測農作物生成情況，傳輸層借助3G/4G、藍牙或WiFi技術實現信息數據的傳遞匯報，而無線通信技術所使用的頻譜資源出現擁擠情況。因此，基于認知的農業物聯網架構一定程度上可以解決頻譜資源緊缺的問題。

4 認知無線電在農業物聯網應用挑戰

隨著農業物聯網項目的不斷應用，有限的頻譜資源在感知層與傳輸層中變得越來越匱乏，認知無線電技術的出現可以解決頻譜資源浪費的問題，利用頻譜感知技術發現可利用的空閑頻譜資源。然而，將認知無線電技術與農業物聯網結合，在應用中也會面臨著諸多問題。

認知無線電是近些年新興的技術，對其的研究還處于理論研究階段，尚沒有實際應用的研究。物聯網雖然已經在很多行業得以應用，但目前國內外很少有將認知無線電技術應用到物聯網中的研究。為此，認知農業物聯網實現最大的挑戰不是成本和效率等問題，而是如何進行較好的結合。圖2給出了認知農業物聯網架構圖，將具有認知功能的節點加入農業物聯網環境中。這種方式雖然具有可行性，但需要在現有的農業物聯網中布置新的認知無線網絡。

另一種方案就是不必鋪設新的認知網絡，需要在農業物聯網中的傳感器節點上增加認知功能，傳感器具有頻譜感知功能，自身感知周圍無線環境，發現空閑頻譜資源加以利用。這種情況，需要對現有的傳感器硬件設備和軟件協議加以修改。具有認知功能的智能模塊結構圖如圖3所示。

圖3 具有認知功能的智能設備模塊結構

傳統的智能模塊在媒介訪問控制模塊中能夠偵聽信道狀態，并在信道空閑可傳輸數據。圖3所示的具有認知功能的智能模塊在物理層和數據鏈路層中包括了頻譜感知模塊、歷史和預測模塊、頻譜分析模塊、頻譜決策模塊，在網絡層中包括了頻譜移動模塊、參數重配置模塊和路由選擇模塊。

具有認知功能的智能設備通過頻譜感知技術發現有用的空閑頻譜資源，以供給農業物聯網中農作物生長情況監測所需。為了更準確地利用空閑頻譜資源，在進行頻譜分析之前，可進一步結合歷史和預測模塊的數據，根據歷史感知頻譜資源的使用情況以及預測，實現頻譜資源感知的精確性。最終根據農業物聯網中所需要進行的業務，選擇可用的頻譜資源。

5 小結

目前，物聯網對頻譜資源的需求越來越緊張，隨著物聯網的應用不斷擴大，解決頻譜資源短缺的瓶頸制約，已經成為影響物聯網發展亟待解決的問題。本文研究了基于認知的農業物聯網架構，通過對農業物聯網對頻譜資源需求的分析，將認知無線電技術應用于物物通信中，能夠在一定程度上為當前物聯網頻譜資源緊張提供建議。盡管基于認知的物聯網在農業中的應用還面臨著巨大的挑戰，隨著各種技術的不斷發展，

農業智能信息化會距離人們越來越近。

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責任編輯：時 雯

Research on Network Infrastructure for Internet of Things in Agriculture Based on Cognitive Radio

DU Hong1，FU Shuang1，XU Jie1，CHU Hongna2

(1. College of information technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Heilongjiang Daqing 163319，China； 2. Beijing Branch， Daqing Oilfield Information Technology Company， Beijing 100043，China)

Internet of Things (IOT) becomes a hot technology for the research， as an agricultural country， IOT technology is widely used in intelligent agriculture for the development of modern agriculture. Cognitive radio is a kind of intelligent wireless communication technology， which can sense and find the available idle spectrum resources through the surrounding environment， so as to improve the spectrum utilization rate. The combination of the IOT in Agricultural and cognitive radio technology can alleviate the shortage of spectrum resources of IOT are analyzed in agricultural. The spectrum management and spectrum research in IOT， spectrum sensing technology of the cognitive radio is applied to IOT in agricultural environment， the network architecture of IOT in agricultural based on cognitive radio is studied， the application challenge for the cognitive radio technology in agriculture IOT is analyzed.

Internet of things in agriculture； cognitive radio； networking infrastructure； machine-to-machine communication； spectrum resource

黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541583)；黑龍江省青年科學基金項目(QC2015070)；黑龍江八一農墾大學引進博士科研啟動基金課題(XYB2013-23)

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.20.008

2015-05-15

【本文獻信息】杜紅，富爽，許杰，等.基于認知無線電的農業物聯網架構的研究[J].電視技術,2015，39(20).