無線傳感器網絡在農業中的應用

楊斌　沈朗　楊春俊

摘要：我國是農業大國，農業的發展影響著社會經濟的發展，為了加快農業的發展步伐，大量高科技被運用到農業中，其中無線傳感器網絡也被有效地運用到農業生產中。文章就無線傳感器網絡的應用現狀、無線傳感器網絡在農業技術中的應用等一系列問題進行了闡述。

關鍵詞：無線傳感器網絡；農業；數據整合；節點部署；路由算法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2015）29-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.023

1 無線傳感器網絡的應用現狀

無線傳感器網絡（WSN）具有極大的使用價值，無線傳感器網絡最早被運用于軍事工業、國家安全、農業、環境監測等領域。美國國防部及其各軍事部門還專門設立一系列的軍事傳感網絡研究項目，對無線傳感網絡進行詳細的研究。2002年，無線傳感器網絡被應用于民用領域。Intel公司公布了一項全新的關于WSN新型計算規劃，主要研究WSN在預防醫學、環境監測、森林滅火、海底板塊調查、行星探查等多領域的運用。2003年，美國《商業周刊》未來技術專版，無線傳感器網絡被列入未來四大新技術之中。美國《今日防務》雜志刊登了無線傳感器網絡，給予無線傳感器網絡高度評價，它會引起一場劃時代的軍事技術變革。繼美國之后，英國、日本、意大利、中國等也紛紛加入研究WSN的行列。2006年，中國下一代互聯網示范工程（CNGI）研發項目中就有無線傳感網絡。隨著各國對無線傳感器網絡的深入研究，無線傳感器網絡已經成為當前社會中一種新的通信模式，對科技的發展產生了重要的影響。無線傳感器網絡也被廣泛應用到農業中，為農民服務。

2 無線傳感器網絡在農業中的應用

無線傳感器網絡是一項全新的通信技術，對于它的研究和應用還處于初步階段，為了使其發揮最大功效，我們還需繼續研究，不斷為農業生產服務。

2.1 WSN的數據整合

WSN數據融合能減少網絡中的數據傳輸量，大量節省傳感器節點的能量，最終能夠延長WSN的使用時間。在采集數據時，由于WSN中傳感器節點布置稠密，相鄰節點采集獲得的信息很相似，可以有效地利用節點的本地計算能力、存儲能力，處理大部分數據、信息，除掉多余的信息，這種處理方式稱作數據融合。

2.2 WSN的節點部署

在工作中，WSN中各傳感器節點可動態進行布控，傳感器節點會因電池能量的耗盡或其他原因而停止工作，其他傳感器節點也會因臨時的工作需要而被增添到網絡中。基于此可知，WSN傳感器節點具有動態的拓撲組織功能。如圖1：

圖1 傳感節點硬件構成

2.3 WSN的路由算法

WSN路由協議的工作主要是在傳感器節點與Sink節點間設立路由，以便于數據傳遞。WSN路由應用于農業中會受到能耗、網絡負載情況、網絡拓撲結構動態變化、網絡增加節點數、數據融合等因素影響。當前，農業設施也一步步改善，對于應用于農業的WSN路由也提出了更高的要求，需設計出更新型的路由協議，以適應快速發展的農業需要，使路由協議發揮最大功效。對此，華南農業大學肖德琴對新型路由協議做了研究，提出“基于精細化梯度的能量有效動態水分傳感器網絡查詢的算法”，這樣能減少網絡的能耗，讓路由協議更好地為農業服務。

2.4 WSN的節能問題

無線傳感器網絡應用在農業中需要大量的電池支持運行，傳感器節點數量多、密集。在工作時，我們時常更換電池會很麻煩，經常更換電池會影響無線傳感器網絡的運行工作。為此，如何提高電池利用率和有效地節能是我們急需克服的問題。一些學者對節能問題作了研究，也提出了一些好的節能辦法。總的概括為改變路由方式和優化路由算法。

2.4.1 改變路由方式：紀金堡倡導“A-LEACH”協議路由方式，能優化MAC層協議。該協議方式主要關注節點剩余量等方面的簇頭選擇方法，延長了網絡的運用時間，有效地提高了網絡能量的利用效率。

2.4.2 優化路由算法：崔海霞等人改進了S-MAC協議，節點設置在偵聽與睡眠間互相切換，大大減少干擾的面積，節省大量的能量，在偵聽時用最有優勢的發生功率發送數據和操控信息。

3 無線傳感器網絡引起重視的問題

當前，為了很好地將WSN廣泛應用到農業中，研究者對WSN的研究已經取得了一些成績。但是隨著科技的不斷發展，WSN的一些問題也隨之而產生，我們需要用發展的、動態的眼光看待WSN，不斷發現新問題，不斷解決新問題，推動WSN的快速發展。

（1）WSN與互聯網協議之間的相融問題，特別需要注意的是無線傳感器網絡與IPv6網絡的相融問題。（2）迫切需要研發新型低功耗傳感器：當前使用的傳感器節點主要是針對氣溫溫度節點、土壤溫濕度節點、土壤電導節點、光照度、二氧化碳濃度等，這些節點監測的信息不能面面俱到，它們只能監測到生物生長的一些環境信息。除此之外，一些傳感器需要大量的工作電壓（莖流傳感器、莖桿直徑變化量傳感器），一些電池是無法支持其運行的。為此，我們需要研制出一款新型低功耗傳感器。（3）WSN網絡安全問題。WSN網絡安全問題是值得注意的問題，研究者應該研究出一些安全措施，輔助WSN使用，如密碼技術、密鑰管理、入侵檢測、安全路由等安全措施輔助WSN工作。（4）WSN傳感器節點的定位問題。在WSN工作時，如何定位傳感器節點也是急需解決的問題，因為傳感器節點會在WSN使用中增加或受到一些干擾而停止工作。只有科學地定位傳感器節點，準確掌握傳感器節點的位置，才能在事故發生時及時予以解決。（5）WSN 3G通信技術的應用。當前，3G技術被廣泛地應用到移動網絡中，3G技術能傳遞數據、視頻、音頻等信息，把3G技術有效地使到WSN中可以提升系統的容量、提高通信的質量、提升傳輸的速度。我們將努力把WSN與Internet聯系起來，為移動終端客戶提供更優質的服務。（6）覆蓋和連通問題是節點部署的重要問題：當前，我們在二維結構下部署傳感器節點，將來會在三維結構中布置傳感器節點，那么所面臨的困難就會更大。為此，我們要重視對傳感器節點部署問題的研究，制造出更好的感知模型研究傳感器節點的部署。

4 結語

我國是一個農業大國，無線傳感器網絡又對農業發展有極高的應用價值，為此，我們極為重視無線傳感器網絡。國家和一些研究機構投入很大的精力去研究無線傳感器網絡技術，相信隨著研究的逐漸深入，無線傳感器網絡的使用范圍會越來越廣，無線傳感器網絡的前景會越來越好。

參考文獻

[1] 杜曉明，陳巖.無線傳感器網絡在溫室農業監測中的應用[J].農機化研究，2009，31（6）.

[2] 孫程光.基于無線傳感器網絡的智能溫室系統設計

[J].天津工程師范學院學報，2007，17（4）.

[3] 韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于Zig Bee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，（25）.

作者簡介：楊斌（1977-），陜西扶風人，云南省電子工業研究所工程師，研究方向：電子技術。

（責任編輯：陳 倩）