面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

安長(zhǎng)華（中國(guó)移動(dòng)天津公司，天津　300100）

面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

安長(zhǎng)華
（中國(guó)移動(dòng)天津公司，天津300100）

傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱，有助于改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的弊端。而精細(xì)農(nóng)業(yè)就是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念，是指基于變異的一種田間管理手段。其目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率的同時(shí)減少投入，提高產(chǎn)量。基于此，從農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境對(duì)無(wú)線信號(hào)傳播特性的影響出發(fā)，對(duì)面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式進(jìn)行研究。

精細(xì)農(nóng)業(yè)；無(wú)線傳感器；信號(hào)

我國(guó)人口眾多，土地的人均占有量嚴(yán)重不足。在保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，如何利用有限的土地資源，提高產(chǎn)品的質(zhì)量是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)。精細(xì)農(nóng)業(yè)是以網(wǎng)絡(luò)信息和專(zhuān)業(yè)知識(shí)為依據(jù)，以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。根據(jù)獲取作物的生長(zhǎng)環(huán)境要素（生長(zhǎng)的最佳溫度、濕度，風(fēng)向風(fēng)速，日照時(shí)間，含水量等）的差異性，區(qū)別對(duì)待不同的農(nóng)作物，以提高作物產(chǎn)量、質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。而面向精細(xì)農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包含哪些是值得研究的。

1　網(wǎng)絡(luò)安全

人類(lèi)社會(huì)存著各種各樣的安全問(wèn)題，制約著社會(huì)的發(fā)展，影響著人類(lèi)正常的生活。當(dāng)然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也存在著各種安全威脅。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、范圍廣，但是收到節(jié)點(diǎn)自身的能力的制約。傳感節(jié)點(diǎn)也不一定都是與基站直接進(jìn)行通信的，而且無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通常部署在敵對(duì)環(huán)境中，所以信息容易被竄改、丟失。所以，網(wǎng)絡(luò)安全是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)存在的安全威脅

在當(dāng)今社會(huì)中無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)存在著多種安全威脅，主要有以下幾點(diǎn)：①網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展但缺少健全的運(yùn)行機(jī)制，給用戶帶來(lái)各種不便，導(dǎo)致信息暴露或被非法用戶截獲；②一個(gè)節(jié)點(diǎn)遭破壞；③識(shí)別偽節(jié)點(diǎn)；④如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點(diǎn)。

1.2解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題的措施

為了解決網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題，應(yīng)該采取積極有效的措施：①任何人未經(jīng)批準(zhǔn)，不得擅自在網(wǎng)站上發(fā)布信息或更改網(wǎng)站頁(yè)面版式和內(nèi)容，必須經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息管理部主任審核同意后才能發(fā)布；②上網(wǎng)材料必須是已正式對(duì)外公布的文件或資料，未正式對(duì)外公布的資料不得上網(wǎng)發(fā)布；③網(wǎng)站密碼由公司網(wǎng)站管理員專(zhuān)人負(fù)責(zé)控制，不準(zhǔn)向任何部門(mén)或個(gè)人泄露；④網(wǎng)絡(luò)管理員應(yīng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，避免網(wǎng)站被病毒、黑客襲擊，如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站運(yùn)行不正常時(shí)應(yīng)及時(shí)處理；⑤設(shè)置雙方加密的形式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只設(shè)置一個(gè)密鑰，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的距離過(guò)長(zhǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)在節(jié)點(diǎn)和基站之間的一個(gè)合適的位置選擇節(jié)點(diǎn)，發(fā)送斷也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控計(jì)算機(jī)通過(guò)傳感器總線控制器與傳感器總線上的多個(gè)節(jié)點(diǎn)通信并實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)控和決策功能，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)或多個(gè)傳感器執(zhí)行器和總線接口模塊，節(jié)點(diǎn)間的通信方式可以是對(duì)等的（Peer-to-Peer）或主從的（master-slave）。

2　信息的處理和電源的使用

信息的處理和電源的使用也是無(wú)線傳感器應(yīng)該研究的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的喚醒方式主要有全喚醒模式、隨機(jī)喚醒模式、由預(yù)測(cè)機(jī)制選擇喚醒模式、任務(wù)循環(huán)喚醒模式。其中，由預(yù)測(cè)機(jī)制選擇喚醒模式是指無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)跟蹤任務(wù)的需要，選擇性地喚醒對(duì)跟蹤精度收益較大的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)本拍的信息預(yù)測(cè)目標(biāo)下一時(shí)刻的狀態(tài)，并喚醒節(jié)點(diǎn)。這種模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。電池?zé)o線充電技術(shù)是特別引入關(guān)注和可能發(fā)展的方向。

3　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)是另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)協(xié)議結(jié)構(gòu)的期待是：盡量簡(jiǎn)化協(xié)議層次，盡量簡(jiǎn)練信令方式，盡量利用廣播信息，盡量避免交互應(yīng)答。用簡(jiǎn)潔的協(xié)議棧支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行。其中，區(qū)域覆蓋和路由協(xié)議很重要，到處存在接入可能，節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)的路由選擇，有向擴(kuò)散的路由協(xié)議，都是值得研究開(kāi)發(fā)的。極大量無(wú)線傳感器終端的識(shí)別和管理，極大量采集數(shù)據(jù)的集中處理和應(yīng)用，也是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的值得解決的課題。

3.1容錯(cuò)機(jī)制

由某種系統(tǒng)控制在一定范圍內(nèi)的一種允許或包容犯錯(cuò)情況的發(fā)生。在使用電腦的某個(gè)程序時(shí)，常常會(huì)遇到“程序無(wú)反應(yīng)”或“程序未響應(yīng)”的情況發(fā)生，此時(shí)這個(gè)程序便不能在進(jìn)行下去，但經(jīng)常會(huì)在幾秒后恢復(fù)到正常使用狀態(tài)。這種“無(wú)反應(yīng)”或“未響應(yīng)”幾秒鐘的錯(cuò)誤狀態(tài)，稱(chēng)之為“容錯(cuò)”。

在任何網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都應(yīng)該有個(gè)很好的容錯(cuò)機(jī)制，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。無(wú)線傳感器的節(jié)點(diǎn)經(jīng)常處于敵對(duì)的環(huán)境中，很容易產(chǎn)生“容錯(cuò)”現(xiàn)象，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍比較廣，分布范圍廣，所需節(jié)點(diǎn)的數(shù)量也多，更容易造成系統(tǒng)運(yùn)行的障礙，維護(hù)起來(lái)十分困難。為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須建立良好的容錯(cuò)機(jī)制。常見(jiàn)的容錯(cuò)系統(tǒng)有多途徑備份、局部恢復(fù)和利用編碼理論等。可以根據(jù)不同的要求，采用不同的容錯(cuò)機(jī)制。

3.2能量問(wèn)題

信號(hào)的覆蓋范圍較廣，傳感器節(jié)點(diǎn)的分布眾多，并且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，而且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)一般用電池供電，更換電池也是很困難的過(guò)程。如何解決傳感器的能量問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的核心內(nèi)容。當(dāng)檢測(cè)事件發(fā)生時(shí)，傳感器從休眠模式中恢復(fù)正常工作，可以自動(dòng)適應(yīng)休眠和喚醒，對(duì)于突發(fā)事件進(jìn)行處理，這樣便可以節(jié)約能量。這樣既可以滿足系統(tǒng)的需要也可以節(jié)約能量。在滿足系統(tǒng)的要求的情況下，采取降低耗電量是十分重要的。同時(shí)，可以使用新型電池（高含電量、自動(dòng)充電等），滿足傳感器的需要。

3.3數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)性

網(wǎng)絡(luò)信息也具有時(shí)效性和完整性的特點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程中，應(yīng)該保證信息的完整性和機(jī)密性，預(yù)防黑客對(duì)系統(tǒng)的攻擊造成信息的暴露，影響人們的正常生活。信息是具有時(shí)效性的，應(yīng)該時(shí)刻保證檢測(cè)信息的更新、變化，保證信息的隨時(shí)更新，確保不會(huì)因?yàn)樾畔⒌臏蠖绊懭藗儗?duì)農(nóng)業(yè)施肥、灌溉等程序的判斷，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.4密鑰管理

為了實(shí)現(xiàn)、滿足上面的安全需求，需要對(duì)加密密鑰進(jìn)行管理。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于能源和計(jì)算能力的限制，需要在安全級(jí)別和這些限制之間維持平衡。密鑰管理應(yīng)包括密鑰分配、初始化階段、節(jié)點(diǎn)增加、密鑰撤銷(xiāo)和密鑰更新。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下也推進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)在化，但也存在著諸多的技術(shù)漏洞急需解決。因此，應(yīng)該建立良好的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，合理及時(shí)地對(duì)信息進(jìn)行處理，完善無(wú)線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

TN929.5；TP212.9

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1674-7909-（2016）11-44-2