無線傳感器網絡在農業上的應用現狀及存在問題

龔志遠，張 偉，劉燕德，吳至境，謝慶華，周 鑫

（華東交通大學光機電及應用研究所，江西南昌330013）

無線傳感器網絡在農業上的應用現狀及存在問題

龔志遠，張 偉，劉燕德＊，吳至境，謝慶華，周 鑫

（華東交通大學光機電及應用研究所，江西南昌330013）

無線傳感器網絡作為一種結合多種先進技術于一體的網絡系統，將其應用于現代農業，可使農業的生產、經營和管理等過程高效化，進一步節省成本，提高經濟效益。介紹了無線傳感器網絡的原理和技術特點，對國內外無線傳感器網絡技術在農業中的應用現狀進行了概述，總結了無線傳感器網絡在農業應用中存在的問題。

無線傳感器網絡；智能化農業；現代農業

隨著自然資源和環境約束的加劇，現代農業要在數量和質量實現進一步提升，需要摒棄資源消耗型的傳統農業模式，充分利用資源，發展規模化和集約化，同時確保自然環境安全，發展可持續農業。這對農業的發展提出了更高的要求，使得現代農業的發展向精準農業的方向邁進，需要利用高新技術和科學的管理手段對資源進行優化整合，并對農作物生長進行適時適度的調控，充分發揮其生長潛力，增強其對病蟲害等疫情的抵抗能力，提高其優質高產能力。隨著智能傳感技術、機械電子技術、物聯網技術的飛速發展，遠程控制和智能化控制等現代化控制技術已被廣泛應用于農業生產領域，而無線傳感器網絡技術則是上述技術的綜合產物。在國外，2003年發布的未來預測技術發展報告中將無線傳感器網絡技術列為改變世界的十大新技術之一［1－2］。在國內，《國家中長期科學與技術發展規劃（2006—2020）》把無線寬帶通信、自組網絡與通信、智能感知等技術列為我國中長期重點發展的前沿科學技術［3］。無線傳感器網絡具有高效、智能化及網絡化等諸多優點，在精確農業領域具有重要的應用價值。

國內無線傳感器網絡的應用研究在時間上幾乎和發達國家同步啟動，但整體比較薄弱。1999年中國科學院在《信息與自動化領域研究報告》中提出重點地區災害實時監控、預警與決策示范系統項目，并首次提出應用無線傳感器網絡。之后，中科院等成立了相關的研發中心，并開展了無線傳感器網絡相關的重大研究項目。同時，國內的許多高校和科研單位相繼開展無線傳感器網絡的研究。清華大學等開展了傳感器定位與數據管理系統等研究，重慶大學開展了無線傳感網絡在嵌入式系統等領域的研究，華東交通大學射頻通信與傳感器網絡實驗室開展了無線傳感網絡射頻電路系統、量子傳感器、智慧交通傳感網和多媒體傳感網等研究［1］。張穎等［4］設計了基于超低功耗MCU芯片和無線收發器芯片的多環境采集功能無線傳感器網絡節點。張瑞瑞等［5］設計了基于ATMEGA128L單片機和CC1000射頻芯片的無線傳感網絡節點通信電路。楊樹森等［6］設計了無線傳感網絡數據庫軟件和網絡構建方案。隨著無線傳感器網絡在農業上的應用日益廣泛，為使更廣大的農業科技人員了解這一新興技術，筆者對無線傳感器網絡的原理及其在農業中的應用現狀進行概述，并對其在農業應用中存在的問題進行總結。

1 原理和技術特點

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在監測區域內大量的廉價小型或微型傳感器節點組成，經過自帶的無線通信裝置通過自組網的形式連接組成一個智能網絡系統，從而協作采集和處理網絡覆蓋區域中傳感器所感應的信息，經過一定處理后發送至服務器，并最終通過客戶端呈現給用戶［7］，是一種涉及無線傳輸技術、網絡通信技術、嵌入式技術、微電子技術和傳感器技術等多學科多領域的技術。其可在各種無人值守的環境中工作，因此在很多行業和領域都具有巨大的應用價值，具有非常廣闊的市場前景［8］。

1.1 基本結構

無線傳感器網絡由傳感器節點、中心匯聚節點、數據處理中心、網絡收發裝置、手機和電腦等客戶端組成［9－10］（圖1）。傳感器節點通常按照實際測量需要部署在感知區域內，每個傳感器節點能將采集的數據通過無線發射裝置傳輸至中心節點，中心節點再通過有線或無線的方式與本地數據處理中心相連接，同時將本地數據處理中心和控制平臺聯入互聯網，用戶使用手機或者電腦連接互聯網就能獲取監控區域內傳感器反饋的數據信息，并且可根據需要對相應設備進行遠程控制和管理。

傳感器節點通常包含傳感器單元、存儲單元、微處理器單元、通信單元以及電源單元［11－12］（圖2）。它具有小功率、小尺寸、低成本、多功能等特點，此外可根據實際需要在傳感器節點中配備GPS裝置，以獲取傳感器節點的具體部署位置，進而及時獲取現場事件發生的具體位置。

1.2 通信協議

通信協議是指雙方實體完成通信或服務必須遵循的規則和約定。協議定義了數據單元使用的格式，信息單元應該包含的信息與含義、連接方式以及信息發送和接收的時序。隨著通信技術的發展，短距離高效率的無線通信技術成為熱點。同時，家居智能化、網絡化，工業控制系統的智能化、網絡化等都需要成本更低、短距離、低功耗，同時具備組網能力強等優點的無線通信技術標準。在此背景下，ZigBee無線通信技術應運而生。ZigBee技術聯盟于2001年成立，并在2005年發布該通信標準的首個公開版本，2007年又發布了趨于成熟的第2個公開版本。其主要特點：1）功耗低。在待機狀態下，普通的干電池能夠支撐使用半年到1年的時間。2）短距離。數據傳輸的有效距離為10～100m。3）成本低。協議簡單緊湊，且可以免除協議專利費。4）組網容量大。能夠采用星型、網狀和鱗狀等布置結構，最大可匯聚6萬多個網絡節點。因此，與其他無線通信協議相比較（表），其非常適合傳輸數據信息量比較小的工業自動化控制設備和農業自動化控制設備等的數據信息，是當前應用比較廣泛的一種無線通信協議，應用于現代農業環境中具有明顯優勢。

圖2 無線傳感器節點的構成單元Fig.2 Component units of wireless sensor nodes

表 不同無線通信協議的技術指標Table Technical indicators of different wireless communication protocols

2 應用現狀

2.1 農業環境監測

2004年我國出現了第一臺農作物生長培育環境信息監測設備。由于采用有線連接，系統比較復雜，故障發生率較高，導致維護成本較高，因此使用并不廣泛，但在當時應用該設備也取得了一定的成效［13］。杭州齊格科技有限公司和浙江農科院共同研發了遠程農作物管理系統［14］，該系統利用無線傳感器網絡技術對農田的光照、溫濕度和降雨量等環境信息進行監控，并將這些無線傳感器收集的各項環境信息傳輸至數據中心的服務器進行存儲和分析。安徽省農業科技示范園應用無線傳感網絡精準農業監測系統，利用土壤溫度、濕度傳感器和光照傳感器等對花卉大棚內的環境狀況進行監測［15］。

在國外，最先將無線傳感器網絡技術應用于農業領域的是英特爾公司，其在2002年于美國俄勒岡州建立了世界上第一個智慧型無線葡萄園［16－17］。該葡萄園主要是將無線傳感器網絡節點按照一定的要求安裝在整個葡萄園中，每隔1分鐘就對葡萄園中的溫度、濕度、光照度以及土壤的養分含量等環境信息進行1次采集，通過對長期監控數據進行分析，便能有效掌握園區內多種環境因素對葡萄生長的影響，從而調控園區的環境使葡萄處于最優的生長環境中，確保葡萄的優質高產。

此外，無線傳感器網絡應用在動物養殖環境的監測和農田洪澇災害和環境污染狀況的監測等。董方武等［18］基于ZigBee技術的無線傳感器節點，并且通過該節點設計出了一套監測禽類養殖環境的無線傳感網絡和控制系統。經過實踐測試，該系統各項功能均能滿足監控要求，能夠比較順利地指導禽類的養殖作業。紀濱等［19］通過ZigBee網絡技術，將豬舍內的傳感器和風機等機電設備等連接起來組成實時監控系統，對豬舍內的環境和幼豬的生活狀況進行實時監控，并提出了能夠有效增加數據傳輸速率并減少傳輸延時和數據丟包率的有效算法。

2.2 節水灌溉

在國內，馮友兵等［20－22］設計了一個用于遠程傳輸農作物需水信息的無線傳感網絡系統，該系統可以為定時、定量灌溉提供可靠依據，達到節能節水灌溉的目的。楊婷［23］等設計了基于無線傳感網絡的自動滴灌控制系統，該系統可以檢測環境溫度、土壤溫濕度以及光照的變化，利用傳感器反饋的信號對滴灌系統做出精確的控制，實現自動精確滴灌。高軍等［24］將基于ZigBee技術的無線傳感網絡與GPRS網絡相結合，設計出了一套能夠根據土壤的各項指標參數和農作物的需水規律進行精準灌溉的控制系統，有效解決了農業用水利用率低下的問題。張俊濤［25］等針對當前農業環境監測的需求，設計了一套基于無線傳感網絡的果樹精準灌溉系統。該系統采用ZigBee技術與GPRS網絡相結合的體系結構，基于CC2530芯片設計無線傳感節點，并配套了相關軟件。無線傳感器節點對其所在區域的土壤濕度信息進行實時監測，根據果樹的合理需水量以及土壤的綜合狀況，對灌溉進行精準控制，可應用于溫室、果園等區域，有助于提高果樹產量。

2.3 農業機械作業

由于農業種植規模化和勞動力成本的提高，以及農業的規模化發展，農業機械自動化與智能化程度越來越高，無人駕駛的智能農業車輛得到了廣泛的研究應用。農業智能車輛的導航方式主要為GPS和視覺，基于GPS導航的農業智能車輛已在國內外有了較多應用。CCD視覺傳感作為一種應用于移動機器人的新興傳感技術［26］，在農業智能車輛中也得到廣泛的應用。日本知名農業機械專家Noguchi教授研究的無人駕駛拖拉機［27］已在實際生產中得到應用。中國農業大學和南京農業大學針對農業移動機器人自動導航過程中檢測障礙物的問題，研究得出能夠滿足機器人線性檢測和實時檢測障礙物的算法［28］。美國約翰迪爾公司推出的可以實現播種、收割以及施藥和施肥測定野外作業的“綠色之星”系統［29］，其通過裝有衛星收發裝置的收割機將測得的實際產量經過存儲分析后，指導施肥機、播種機根據相關數據信息完成合理施肥密植，達到利用較少資源投入增加經濟效益的目的。

此外，無線傳感器網絡在水質監測、水果蔬菜糧食的儲存、農作物蟲害監測、農作物施肥噴藥、水產養殖等方面都得到了應用。綜上所述，無線傳感器網絡在農業上的應用可概括為：1）溫室環境監控，通過無線傳感器網絡對土壤溫濕度、空氣溫濕度、氣壓、光照強度和二氧化碳濃度等的測定來調控溫室環境，使作物處于最佳的生長環境。2）節水灌溉水肥一體化。3）大面積農作物種植區域環境監控，與溫室環境的應用大同小異，主要是對土壤溫濕度和光照強度等環境信息的監測。

3 存在的問題

首先是安全問題。無線傳感器的很多網絡參數和密鑰都是在節點布置后由其進行握手協商形成，無法進行事先配置。同時，其通常運行在無線信道開放和無人值守的環境中，給網絡通信安全提出了很大的挑戰。除了信息的篡改、泄露等傳統網絡安全問題，黑客能夠攻擊并獲取節點中的物理和安全等信息，進而控制部分或者整個網絡。其次，長時間以及惡劣環境狀態下運行的穩定性問題。無線傳感器一般分布在比較復雜的農業環境中，會因為天氣等原因造成失靈，甚至會因為雷電造成永久性損壞。再次，不同設備間的兼容性問題。由于不同設備可能采用不同的通訊協議，造成現有節點與后續新增的節點不兼容。此外，與其他網絡平臺的融合性問題，如與時下熱門的物聯網技術平臺進行融合，便于后期的升級管理。最后，無線信號在傳輸中的衰減問題。

盡管無線傳感器網絡的應用存在上述問題，但其作為一種結合了多種先進技術為一體的網絡系統，為高效可持續農業的發展提供了一種便利而先進的信息采集和處理方式。隨著對上述問題的不斷改進，其在農業領域的應用將具有更廣闊的前景，成為助推未來農業發展的重要工具。

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（責任編輯：黃筑斌）

Application Status and Existing Problems of Wireless Sensor Network in Agriculture

GONG Zhiyuan，ZHANG Wei，LIU Yande＊，WU Zhijng，XIE Qinghua，ZHOU Xin
（Institute of Optics－Mechanics－Electronics Technology and Application（OMETA），East China Jiaotong University，Nanchang，Jiangxi 330013，China）

Wireless sensor network is a network system combined with multiple advanced technologies，the application in modern agriculture could make the production，operation and management of agriculture more efficient，and thus enhance the economic benefits.In this paper the principles and technical characteristics of wireless sensor networks were reviewed，as well as agriculture research status at home and abroad using wireless sensor networks were analyzed，and finally，the issues of wireless sensor networks in agricultural application were summarized.

wireless sensor networks；intelligent agriculture；modern agriculture

S126；TP212.9

A

1001－3601（2016）08－0360－0144－04

2015－11－15；2016－07－12修回

國家863計劃課題（2012AA101904）；國家863計劃課題（2012AA101906）；江西省研究生創新專項資金資助項目（YC 2015－S240）；江西省光電檢測工程技術研究中心資助項目［贛科發財字（2012）155］

龔志遠（1966－），男，副教授，從事機電一體化技術研究。E－mail：gongzhiyuan0514＠163.com

＊通訊作者：劉燕德（1967－），女，教授，博士，從事農業精準管理與數字化研究。E－mail：hbzw2011＠163.com