無線傳感器網絡在精準農業中的應用分析

董暐

摘要：指出無線傳感器網絡在精準農業發展中的重要作用，分析了無線傳感器網絡在農業中的應用特點、網絡結構、傳輸技術等關鍵問題，對無線傳感器網絡在農業各領域的應用現狀進行了簡要綜述，并對無線傳感器網絡今后的發展方向進行了展望。

關鍵詞：無線傳感器網絡;精準農業;環境控制;無線通信技術;節點部署

我國是農業大國，過量施肥等現象導致的農田污染、環境惡化、生物多樣性破壞等問題十分嚴重，如何增加單位面積農田產量的同時減少對環境的破壞，保證農業的可持續生產，是擺在我國人民面前的一個難題。精準農業的出現為解決這一難題提供了有效途徑，其核心內容就是利用信息技術，對目標的相關信息進行獲取和分析，從時間、空間和方法等方面對不同情況的對象進行差異化管理。其中，無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks， WSN）擔負著信息獲取的重要任務，是精準農業體系中不可或缺的組成部分，因此，研究適合我國國情的農業無線傳感器網絡，可以科學、準確、高效地獲取信息，為精準農業的研究和發展提供基礎數據，從而提高生產效率、降低成本、減少環境污染，實現農業的精細化管理，對加快我國農業現代化進程具有重要意義。

1農業無線傳感器網絡的特點

在精準農業體系中，環境信息的獲取是最基本的組成部分，而無線傳感器網絡又是其中使用最為廣泛的技術。無線傳感器網絡一般包括傳感器節點、匯聚節點和基站，傳感器節點由傳感器、微處理器、存儲器和收發器等部件組成，具有計算和通信能力，以近距離無線的方式連接，從而形成多跳的無線網絡[1]。精準農業中典型的無線傳感器網絡，主要負責農業環境信息獲取、農作物生長數據采集等工作，因此，應根據農業生產的特點和農業信息數據獲取的要求來進行設計和規劃，主要包括以下幾個方面。

1.1傳感器網絡成本低、功耗小、使用簡單

由于農業無線傳感器網絡的使用對象主要是農民和涉農企業，受農業生產效益制約，沒有過多的資金投入，因此，要盡可能地壓縮成本，而且由于傳感器使用數量較多，其功耗也是不容忽視的問題，使用低功耗的產品可以節省一大筆開支，應考慮用戶的實際情況，在使用上力求簡單，用戶能夠快速掌握。

1.2傳感器適合農業生產環境，長期使用性能穩定

農業生產環境具有多樣性，存在農田、溫室等多種場景，傳感器網絡的部署不能影響作物的正常生長和日常農事活動，農田中還要考慮供電方式和網絡接入等問題。傳感器還要能適應高溫、高濕等惡劣環境，保證長期使用的穩定性。

1.3設計具有農業特色的數據采集算法

農業類數據的采集是一個長期的、持續的過程，需要獲取大量數據，而農作物生理和環境參數比較特殊，特別是設施種植的作物，其數據大多具有連續性、階段性、周期性等特點，因此在采集算法的設計上要充分考慮到數據相關性、冗余度等因素，研究適合的數據采集、融合算法[2]，以提高數據獲取效率，節省存儲空間、保證傳輸速度。

1.4合理的網絡結構和性能設計

農業WSN主要應用于農田和設施2種典型場景，而2種場景差異明顯，因此要有針對性地進行網絡結構設計。同時，農業數據的采集具有采集頻率高、參數種類多、數據量較小等特點，傳輸距離根據場景不同有比較大的差距，因此在WSN的選擇上，要合理選擇網絡傳輸模式，確保數據傳輸的時效性和穩定性。

2農業無線傳感器網絡結構

早期的傳感器網絡以同構網絡為主，在觀測區域內放置同種類型的傳感器節點，各節點通過多跳中繼將數據發送到匯聚點，再通過互聯網等方式傳送到管理中心，由用戶進行管理和控制，傳感器節點在功能、能量方面都比較弱，網絡只能進行單一的數據采集操作，可擴展性差，無法應對隨時增加的監測需求。異構傳感器網絡很好地解決了上述問題，這種網絡中不僅包含普通的傳感器，還有功能更為強大的高級傳感器節點，高級傳感器除了有更長的續航時間，還有較為強大的計算能力，可以對收集的數據進行整理、融合和轉發等操作。因此，目前新建的農業WSN，大多以異構方式進行網絡組建。

WSN的異構網絡架構分為信息采集、信息處理和信息應用3個部分。信息采集部分主要由傳感器節點組成，能耗較小，功能也較為單一，主要負責農業數據的采集;信息處理部分主要由匯聚節點組成，也可以通過部署一些能量異構節點來完成匯聚節點的部分工作，這些節點在功能和性能上相比傳感器節點都有較大提升，以完成數據匯聚、整理、融合等一系列的工作，并將處理后的數據通過互聯網等方式發送到數據管理中心[3];信息應用部分主要是對獲取到的數據進一步加工整理，通過各種軟件系統應用于農業決策。圖1是精準農業中一種典型的WSN異構結構。

采用這種異構方式組成的網絡，細化了網絡結構，在異構節點設計和應用一些特定的策略算法，可以有效地平衡節點能量消耗，延長網絡生存時間，增強數據傳輸的穩定性和可靠性，從而提高整個WSN的使用效率。因此，現階段研究的重點，已經逐漸轉移到這些特定策略算法的設計和優化上來。

3農業無線傳感器網絡組網技術

3.1無線通信技術

根據目標監測區域的大小、數據傳輸需要以及成本限制等要求，傳感器節點間的無線通信技術有不同的選擇。目前在生產中常用的近距離無線通信技術主要包括：WiFi、Bluetooth、ZigBee和UWB等，根據農業生產的特點和農業信息數據獲取的要求，專門面向自動化和無線控制的ZigBee無疑是最為適合的技術之一，低速率、低功耗、低價格的鮮明特點非常符合農業生產的定位。而且在這種網絡中，有2種設備類型，功能簡化型設備和功能完備設備，這樣的設備類型劃分也非常適合異構WSN的網絡架構[4]，因此ZigBee是目前農業WSN中通用性最好、應用范圍最廣的無線通信技術。

3.2網絡拓撲結構

農業WSN在構建時需要根據應用場景選擇合理的拓撲結構，針對大田和設施2種典型場景的特點，有不同的拓撲選擇。大田場景中，由于監測的面積較大，而且要考慮網絡能耗均衡、節點發生異常、網絡不斷擴展的情況，需要配置大量的傳感器節點和能量異構節點，因此適合選用Mesh（網狀）拓撲結構，便于控制網絡能耗，保證傳輸質量，方便網絡擴展;設施場景中，由于單個設施面積有限，而且在地域上相對獨立，因此每個設施可以單獨形成一個子網，便于網絡規劃和管理，子網內節點數量較少且相對固定，通信距離較短，比較適合使用控制和同步都比較簡單的星型拓撲結構[5]。

4農業無線傳感器網絡應用現狀

由于近年來信息技術快速發展，WSN技術對精準農業的作用日益明顯，越來越多的研究成果應用于農業生產的多個領域，收到了很好的效果。

4.1用于節水灌溉

我國水資源嚴重匱乏，人均占有量少、分布不均勻，而農業用水卻浪費嚴重。由于農田大多施行粗放灌溉，造成水資源大量流失，灌溉效率低下，因此，迫切需要尋求一條節水灌溉的有效途徑。農業發達國家對農業節水灌溉研究起步較早，成效也較明顯，對于常規作物都有比較先進的灌溉系統，這些系統不僅可以監測灌區水情、墑情，還能根據作物情況制定科學合理的灌溉策略。我國近年來無線傳感器網絡的快速發展，為灌區自動化數據采集提供了支持，但由于相關研究起步較晚，因此目前已應用于生產的節水灌溉系統大多面向小規模的生產環境，如果園、茶園、溫室等，面向大田的節水灌溉應用還在區域示范階段，尚未大規模投入生產。

4.2用于溫室環境管理

由于我國對設施農業的大力推廣，無論在技術還是投入上，設施農業都走在了整個農業生產的前列，溫室管理的自動化程度較高，很多地區的智能溫室已形成規模，使用的溫室管理智能化系統也日趨完善。無線傳感器網絡已大量應用于溫室環境信息采集，使用的傳感器種類和傳輸技術也在不斷增加和改進。智能化系統通過分析處理傳感器獲取的信息，不僅可以實時監測溫室中的溫濕度、光照、二氧化碳、土壤狀況等各項環境參數，還能根據預先設置的樣本參數，自動進行水肥、溫濕度、日照等管理操作，保持作物的最佳生長環境。既實現了隨時隨地對溫室進行科學、準確的管理，又減少了管理人員工作量，提高了生產效率。降低成本和功耗，提高穩定性和可靠性，數據融合和路由算法優化等。

4.3用于生理生態監測

監測動植物的生理生態指標對掌握其生長狀況、提高科學管理水平具有重要意義，傳統的監測手段以人工觀察記錄為主，不僅持續時間長，還耗費大量的人力和物力。根據生理生態監測工作持續時間長、監測范圍廣等特點，利用成本低、易部署、自動化程度高的無線傳感器網絡，配合專門的智能化系統，可以對動植物生理生態參數進行準確、持續地記錄和分析，隨時掌握監測目標的生長情況，從而有效降低監測成本，提高監測效率。

5總結和展望

我國正處于傳統農業向現代農業轉變的關鍵時期，國家對農業信息化建設十分重視，精準農業的發展形勢良好，無線傳感器網絡作為其重要的組成部分，應用范圍持續擴大，研究成果不斷涌現，特別是在農業環境監測和控制等方面發揮了巨大作用，解決了傳統的人工采集和有線測量在實時性、精確性、規模性等方面的問題。但由于我國相關研究起步較晚，技術相對落后，因此仍存在諸多不足，如傳感器種類少、壽命短、能耗高，數據傳輸的穩定性和可靠性仍需加強，無線傳感器網絡與互聯網互通存在困難等，許多專家學者在相關領域進行了更深層次的研究，研究重點主要放在在節能策略、節點定位、數據融合、路由優化、多平臺支持等方面，相信隨著信息技術的不斷發展和相關研究的持續深入，無線傳感器網絡在農業生產中將擁有更廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]瞿華香，趙萍，陳桂鵬，等. 基于無線傳感器網絡的精準農業研究進展[J]. 中國農學通報， 2014， 30（33）： 268-272.

[2] 孫玉文，沈明霞，路明洲，等. 無線傳感器網絡在農業中的應用研究現狀與展望[J]. 浙江農業學報， 2011， 23（3）： 639-644.

[3] 于婷婷，朱龍圖，閆荊，等. 農田環境信息采集與遠程監測系統[J]. 中國農機化學報， 2016， 37（6）： 220-225.

[4] 李士軍，溫竹，宮鶴，等. 無線傳感器網絡在農業中的應用進展[J]. 浙江農業學報， 2014， 26（6）： 1715-1720.

[5] 郭文川，程寒杰，李瑞明，等. 基于無線傳感器網絡的溫室環境信息監測系統[J]. 農業機械學報， 2010， 41（7）： 181-185.