無線傳感器網(wǎng)絡在精準農業(yè)中的能效分析

單 昕，甘守飛

宿州學院信息工程學院，宿州，234000

1 無線傳感器網(wǎng)絡在精準農業(yè)中的應用

精準農業(yè)(Precision Agriculture, PA)是一種管理策略，主要是采用信息技術提高農業(yè)的質量和生產，同時減少對環(huán)境的影響及資源(能源，水)的浪費，提高農業(yè)生產的精細性、精確度，從而改善農業(yè)管理[1]。目前精準農業(yè)還處于探索的早期階段，仍然面臨著許多亟待解決的關鍵技術問題。例如，使用化肥、農藥可大幅提高糧食產量，但缺乏使用后對土壤肥力和病蟲害的科學監(jiān)測手段，缺乏快速有效的感知技術與設備，導致化肥、農藥的盲目使用，不僅造成大量的資源浪費，而且?guī)韲乐氐耐寥篮铜h(huán)境污染。由于在實現(xiàn)精準農業(yè)中所需應用型傳感器品種較多且成本偏高，缺少標準化研究，因此產品尚未實現(xiàn)市場規(guī)模效應。當前農用傳感器在使用中存在條件多樣化、工作環(huán)境惡劣、電源供給不足及使用壽命較短等限制性因素，并且農業(yè)生產基地遠離城市，公用性的信息通信基礎設施較差，布置專用通信手段成本高，且存在頻譜兼容與干擾問題等。近期研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)精準農業(yè)所存在的諸多問題將會隨著無線傳感器網(wǎng)絡應用和發(fā)展而逐步得到解決。

無線傳感器網(wǎng)絡已被廣泛應用于軍事、工業(yè)、交通、醫(yī)療和農業(yè)。無線傳感器網(wǎng)絡應用于農業(yè)是實現(xiàn)精準農業(yè)、提高糧食作物產量和減輕農民負擔的最有利的方法之一。利用無線傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)精準農業(yè)在確保農作物健康成長的前提下，可最大限度地減少農藥的使用，有效控制雜草和病蟲害，實現(xiàn)高效的綠色精準農業(yè)。無線傳感器網(wǎng)絡可實現(xiàn)在農業(yè)生產過程中感知、采集各種信息變化的實時數(shù)據(jù)，并及時將數(shù)據(jù)分析與處理結果反饋于用戶，實現(xiàn)對精準農業(yè)的高效管理[2]。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡體系結構示意圖

在無線傳感器網(wǎng)絡技術迅速發(fā)展期間，主要使用含傳感器節(jié)點的電池供電。無線傳感網(wǎng)絡體系結構如圖1所示。電池供電無線傳感器網(wǎng)絡包含由多個傳感器所組成的傳感器節(jié)點、處理器和射頻(RF)模塊。傳感器節(jié)點可通過通信鏈路無線通信，并經網(wǎng)關通信將其數(shù)據(jù)轉發(fā)到基站或協(xié)調器節(jié)點。通信可收集來自傳感器節(jié)點內各種傳感器從簡單(即濕度，壓力和溫度)到復雜(即定位，跟蹤，微型雷達和圖像)的信息合并，傳送到無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)測。因此在整個監(jiān)測過程中傳感器節(jié)點具有監(jiān)測、存儲、處理信息的功能，而通信將信息整合后發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡實施實時監(jiān)測功能。

無線傳感器網(wǎng)絡在實現(xiàn)精準農業(yè)，提高農業(yè)產量的同時，還可用于其他農業(yè)的應用，如使用土壤養(yǎng)分數(shù)據(jù)來預測農作物的健康狀況和農產品的質量，通過觀察天氣條件(如溫度和濕度)和土壤濕度，預測灌溉規(guī)劃。相關傳感器節(jié)點可添加到現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡以改善參數(shù)農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)并擴展網(wǎng)絡。然而，無線傳感器網(wǎng)絡在農業(yè)上的應用也存在一些問題，如確定最佳部署方案、測量周期、路由協(xié)議、通信范圍、可擴展性和容錯性等。傳感器節(jié)點的分散部署需要長時間的數(shù)據(jù)收集，通信鏈路可能因信號衰減而被削弱或丟失。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點由電池供電，限于有限的電池功率，使無線傳感器網(wǎng)絡存在功耗和延長電池壽命等問題。盡管多年來無線傳感器網(wǎng)絡的應用在不斷地增加，但由于電池制造業(yè)發(fā)展緩慢，使得無線傳感器網(wǎng)絡的應用受到限制。

為滿足電池功率放大器的要求，解決農田和基站間距離長的問題，可將無人機或無人機與基站連接來建立移動數(shù)據(jù)連接服務。這種連接允許傳感器節(jié)點將其數(shù)據(jù)中繼到農田區(qū)域內的基站，可起到緩沖無線傳感器電池限制的作用。

2 農業(yè)無線通信技術

物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)的革命，是把所有可以連接的東西連接起來，其中移動蜂窩網(wǎng)絡技術的發(fā)展在物聯(lián)網(wǎng)領域發(fā)揮著至關重要的作用。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是基于當前發(fā)展的蜂窩網(wǎng)絡LTE功能構建的新型物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)可以共享LTE的頻譜而不存在干擾問題，并可使用相同的設備無縫連接到LTE主網(wǎng)絡，支持所有的網(wǎng)絡設施，如安全性、跟蹤、策略、計費和身份驗證等功能。窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有極低的功耗，可延長電池壽命達10年之久，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的設計目標具有低功耗、覆蓋面積廣、連接點多、成本低等特點[3]。在不久的將來，遠距離無線電LoRa、SigFox等窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術將因低功耗、長距離傳輸?shù)葍?yōu)勢在農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

2.1 遠程無線電LoRa協(xié)議

LoRa是由LoRa聯(lián)盟推出的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。這一方案為用戶提供一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、連接點容量大的系統(tǒng)。目前LoRa 主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等[4]。

作為與室內傳輸有關的低功耗和廣域物聯(lián)網(wǎng)(IoT)通信技術的協(xié)議棧， LoRaWAN的基本網(wǎng)絡體系結構由LoRa終端設備、LoRa網(wǎng)關和LoRa網(wǎng)絡服務器組成。 LoRa終端設備與使用LoRa和LoRaWAN的網(wǎng)關進行通信。 LoRa網(wǎng)關將LoRaWAN原始數(shù)據(jù)包從終端設備傳送到基于回程接口(通常為3G或以太網(wǎng))的高吞吐量的LoRa網(wǎng)絡服務器。因此，LoRa網(wǎng)關充當與LoRa網(wǎng)絡服務器的雙向通信或協(xié)議適配器。在這種情況下LoRa網(wǎng)絡服務器負責解碼，由LoRa設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組，并且創(chuàng)建將被引導回設備的幀。 LoRa提供一個端到端(M2M)WiFi或與蜂窩技術相匹配的雙向解決方案。同時LoRa能將電池或移動設備連接到網(wǎng)絡或終端設備，是一種低成本、高效益的方法。在精準農業(yè)生產中，使用不同的傳感器、微控制器和LoRa無線協(xié)議可監(jiān)測溫室內的土壤濕度和溫度、空氣溫度和濕度以及光照強度。 LoRa網(wǎng)關從LoRa節(jié)點收集數(shù)據(jù)以構建星型網(wǎng)絡的拓撲結構，并且可在長距離通信范圍內以高可擴展性與云服務器進行通信。

2.2 SigFox協(xié)議

SigFox是一種超低窄帶、長距離、低功耗的無線蜂窩網(wǎng)絡，具有低數(shù)據(jù)速率等特點。這一特點能降低終端傳感設備的能耗，提高電池的壽命。從而使該技術適用于物聯(lián)網(wǎng)或M2M連接方案[5]。

SigFox較低的數(shù)據(jù)傳輸量雖然有一定的局限性，但是帶來超低成本和更遠傳輸距離的效果，為成本要求較高的公共網(wǎng)絡提供較好的解決方案。目前，SigFox已被用于包括智能電表、照明系統(tǒng)、安全和遠程監(jiān)控。 國外SigFox網(wǎng)絡應用較多，常用于構建一個地理定位系統(tǒng)，如在夏季將動物定位在高山牧場，用定位系統(tǒng)幫助農民定位放牧的牛。當前，SigFox網(wǎng)絡在國內也有較快的普及，2018年我國在成都等十幾個城市已經同時開展部署工作。

2.3 ZigBee無線協(xié)議

ZigBee協(xié)議被認為是精準農業(yè)和農業(yè)領域的最佳侯選技術之一。由于其低占空比，ZigBee被認為適用于精準農業(yè)應用，例如灌溉監(jiān)測、水質管理以及肥料和農藥控制，所有這些應用都需要實時更新信息。為擴展通信距離，基于ZigBee協(xié)議技術，采用XBee模塊，農業(yè)領域中的傳感器節(jié)點可與路由器或協(xié)調器節(jié)點在較遠的范圍(約100米)進行通信。在室內ZigBee的通信距離可能會減少，但所部署的傳感器和路由器節(jié)點的數(shù)量將增加，以覆蓋整個監(jiān)控區(qū)域。在溫室監(jiān)測上考慮溫室的關鍵參數(shù)(濕度、溫度、二氧化碳和太陽輻射)，以確保植物舒適生長。目前ZigBee協(xié)議和移動通信系統(tǒng)(GSM/GPRS)技術主要用來監(jiān)測氣候條件和控制溫室。

使用ZigBee星型拓撲結構，基于無線傳感器網(wǎng)中的人工智能(即模糊邏輯控制器)，采用ZigBee無線協(xié)議，通過切換活動狀態(tài)和睡眠狀態(tài)降低其功耗。 因此，功耗可被最小化，并且可延長傳感器節(jié)點的電池壽命。 ZigBee目前應用于智能家居、果園監(jiān)測、自動化灌溉、溫室等監(jiān)測系統(tǒng)。作為無線傳感器網(wǎng)絡的通用標準，ZigBee協(xié)議由于其低功耗、低成本、自成型特性適于通信范圍，而被用于多種農業(yè)應用。

2.4 藍牙無線協(xié)議

藍牙無線協(xié)議標準已經用于可移動設備和便攜式設備(如筆記本電腦)之間，建立短距離約10米的通信鏈路。鑒于其在大多數(shù)移動設備中的普遍性和可用性，藍牙通信技術可滿足多層次農業(yè)需求，例如天氣信息、土壤濕度、采用全球定位系統(tǒng)(GPS)進行遠程監(jiān)控。 藍牙模塊采用綜合控制方法，根據(jù)土壤和氣候信息控制溫室灌溉系統(tǒng)，以提高田間生產力并節(jié)約用水。通過藍牙無線通信協(xié)議實時收集現(xiàn)場信息。相對于傳統(tǒng)方法(即計時器控制策略)，使用藍牙技術的集成控制方法，用水量和電力效率提高了90%。由于其能耗低，廣泛的可用性和易用性，智能手機的藍牙通信技術已用于控制灌溉系統(tǒng)、監(jiān)測土壤和氣候條件以及控制使用化肥和殺蟲劑等領域。

2.5 WiFi無線協(xié)議

WiFi是目前便攜式設備中使用最廣泛的無線技術，包括平板電腦、智能手機、筆記本電腦和臺式機。WiFi在室內和室外環(huán)境中分別具有約20 m到100 m之間的通信距離。在精準農業(yè)應用中，WiFi通過Ad hoc網(wǎng)絡連接多種類型設備，從而擴展了不同的體系結構。采用WiFi和3G無線技術作為移動設備的農業(yè)應用手機，遠程訪問和短消息服務可用于控制和監(jiān)測受保護的作物。基于WiFi(IEEE 802.11g)的智能無線傳感器網(wǎng)絡被提出應用在農業(yè)監(jiān)測方面，其系統(tǒng)由三個部分組成：傳感器、路由器和服務器。監(jiān)測溫室或農田的氣候條件，如濕度、溫度、氣壓、光照、水位和土壤濕度。WiFi的缺點在于持續(xù)接收信號需要消耗大量功率，且通信時間長以及巨大的數(shù)據(jù)負載。盡管WiFi服務器采用數(shù)據(jù)冗余技術可防止數(shù)據(jù)丟失，但受用戶數(shù)量和信號強度的影響，該技術并不適用于農業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡應用。

2.6 GPRS/3G/4G技術

通用分組無線業(yè)務(GPRS)是基于GSM的蜂窩電話的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。這種技術取決于共享相同通信信道和資源的消費者的數(shù)量。使用GPRS模塊和無線傳感器網(wǎng)絡可開發(fā)自動作物灌溉系統(tǒng)，同時安裝在植物根區(qū)的傳感器可收集土壤溫度和濕度信息，因此使用該系統(tǒng)是改善水質的比較實用的解決方案。WSN-GPRS網(wǎng)關充當WSN和GPRS之間的橋梁，其中來自WSN的數(shù)據(jù)被傳送到數(shù)據(jù)管理中心。用GPRS配備，各種無線節(jié)點可測量和傳輸土壤，植物和大氣的信息。無線節(jié)點由于其獨立性和太陽能的使用，具有無限的自主權。不同的傳感器可通過GPRS網(wǎng)絡將信息傳輸?shù)竭h程位置，使用平板電腦、移動電話或計算機對信息數(shù)據(jù)進一步分析。所有農業(yè)傳感器都連接到GPRS網(wǎng)絡，可獲取農業(yè)信息，這些信息被傳送到遠程服務器，從而實現(xiàn)了農業(yè)信息的遠距離傳輸[6]。

3 無線通信協(xié)議的性能比較

比較上述無線通信協(xié)議中不同的參數(shù)，包括功率消耗、通信范圍、數(shù)據(jù)率、成本、系統(tǒng)的復雜性和其它技術的參數(shù)，如圖2所示。解決農業(yè)應用中存在的問題往往是從部署范圍選擇中逐漸發(fā)展而來，例如當農業(yè)領域被障礙物隔開時，傳感器節(jié)點傳輸?shù)男盘枙p。在農業(yè)應用中，功耗被認為是無線傳感器網(wǎng)絡設計的另一個限制，ZigBee無線協(xié)議設計主要在短距離的通信范圍和低功耗下運行，LoRa和SigFox能夠以低功耗和遠距離無線電工作。上述技術的功耗和通信距離評估如下[6]。

圖2 不同的無線技術在功耗和通信距離方面的差異

Zigbee協(xié)議和藍牙低功耗專為解決電池供電設備而設計，這些技術通過低功耗循環(huán)實現(xiàn)節(jié)能，并進入睡眠模式以延長電池壽命。經典的BT，WiFi，GPRS，LoRa和SigFox比ZigBee具有更高的功耗。盡管ZigBee的通信范圍比LoRa，SigFox和GPRS短，但這個范圍可能是通過路由器節(jié)點擴展以克服農業(yè)應用中的節(jié)點部署限制。就功耗而言，低能耗藍牙的性能優(yōu)于ZigBee，但該無線協(xié)議在農業(yè)應用中受到限制，因為它的通信距離短。 ZigBee還具有比BT更高的網(wǎng)絡彈性，從而允許各種拓撲結構。鑒于在ZigBee網(wǎng)絡中有大量的節(jié)點(超過65,000個)，ZigBee技術可用來覆蓋廣泛的農業(yè)應用。

LoRa無線協(xié)議涵蓋了低功耗的大型通信領域，適用于廣闊的農業(yè)領域。 LoRa協(xié)議的網(wǎng)絡規(guī)模受其占空比的限制，其中1%的占空比可導致每個終端設備的最大通信時間為36小時。 此外，LoRa網(wǎng)關的信息容量有限，在城市地區(qū)計劃外部署LoRa網(wǎng)關，每分鐘超過100條消息，干擾了SigFox等低功耗無線區(qū)域網(wǎng)絡。 因此，增加網(wǎng)關的數(shù)量可能會對LoRa網(wǎng)絡的基礎設施構成挑戰(zhàn)。 此外，LoRa技術非常復雜且需要有相當高的硬件支持。

與ZigBee和LoRa相比，SigFox具有極低的數(shù)據(jù)速率(100 bps)和較慢的傳輸時間(10個字節(jié)為10 s)。 SigFox支持由管理設備和基站之間連接的中央服務器監(jiān)督的星型拓撲，而LoRa支持基于星型到星型拓撲結構的廣域網(wǎng)，從而創(chuàng)建LoRa網(wǎng)關的橋梁。鑒于數(shù)據(jù)速率和傳輸時間在任何通信系統(tǒng)中都是關鍵問題，SigFox不適于廣泛用于農業(yè)應用。 而且由于多個M2M設備可能在相同的區(qū)域中運行，SigFox技術不支持碰撞避免方案，會影響網(wǎng)絡。 此外，SigFox由于其單向通信(無確認信號)和低接收功率，可靠性有限。因此LoRa和SigFox基礎架構具有一定的相似性。

從以上數(shù)據(jù)分析，圖2顯示不同無線通信協(xié)議的性能比較與表1中的顯示結果有一定的一致性，ZigBee和LoRa無線協(xié)議已被確定為農業(yè)應用中最合適的無線協(xié)議，主要是因為它們的功耗低， 通信范圍(短程ZigBee，遠程LoRa)，體積小，易于實現(xiàn)網(wǎng)絡。

表1 無線通信技術參數(shù)

精準農業(yè)使用傳感器、執(zhí)行器、處理器、無線收發(fā)器和其他信息技術，允許制造商對自動化農業(yè)的特定地點管理實現(xiàn)計算機化。在精度方面，農業(yè)應用無線協(xié)議改善了農業(yè)領域應用技術。精確灌溉通常被認為是優(yōu)化灌溉精度，能夠控制最佳水量和灌溉時間。與傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)相比，精確灌溉系統(tǒng)節(jié)水90%(基于ZigBee)，50%(基于藍牙)。基于ZigBee的灌溉系統(tǒng)的自動化將系統(tǒng)成本節(jié)約了1.24%，節(jié)能2.05%至8.21%，節(jié)水0.71%至6.46%[7]。應用ZigBee無線協(xié)議的算法，監(jiān)測農業(yè)和環(huán)境方面的預計準確率為95.4%。應用LoRa無線協(xié)議遠程監(jiān)測農業(yè)環(huán)境能夠提高效率90%[8]。基于SigFox無線協(xié)議，灌溉節(jié)水約30%。

4 結 語

針對無線傳感網(wǎng)絡在精準農業(yè)技術中的應用分析，結果顯示，無線傳感器網(wǎng)絡可通過提高準確性、效率以及降低各種無線協(xié)議系統(tǒng)成本等方式來實現(xiàn)精準農業(yè)。 因此與傳統(tǒng)農業(yè)系統(tǒng)相比，精準農業(yè)可以利用農業(yè)自動化系統(tǒng)，改進管理方式從而提高生產效率。

在WiFi、藍牙、ZigBee、GPRS / 3G/4G、LoRa和SigFox等不同無線技術或協(xié)議之間進行了能耗、應用、傳輸方式以及傳輸距離的比較。比較結果表明，ZigBee和LoRa無線協(xié)議功耗低更適用于農業(yè)生產。未來精準農業(yè)的研究重點可能是解決農業(yè)中的能耗問題，主要總結如下：⑴選擇具有低成本、低功耗的設備；⑵開發(fā)開放的標準通信協(xié)議和節(jié)能應用程序；⑶通過睡眠/喚醒策略降低無線傳感器網(wǎng)絡RF組件的功耗。