無線傳感器網絡技術及其在農業自動化中的應用

陶夢江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網絡技術及其在農業自動化中的應用

陶夢江，趙繼聰，秦 魏

中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221116

無線傳感器網絡技術現已經被廣泛應用。我國農業未來發展趨勢應走向自動化，高效率，高精度的機械化，智能化生產。無線傳感器網絡在農業中的運用是推進農業生產走向智能化、自動化的最可行的方法之一。

無線傳感器；網絡技術；農業自動化

1 無線傳感器網絡研究背景以及發展現狀

隨著半導體技術、通信技術、計算機技術的快速發展，90年代末，美國首先出現無線傳感器網絡（WSN）。WSN是由布置在監測區域內傳感器節點以無線通信方式形成一個多跳的無線自組網（Ad hoc），其目的是協作的感知，采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。傳感器、感知對象和觀察者是WSN的三要素。將Ad hoc技術與傳感器技術相結合，人們可以通過WSN感知客觀世界，擴展現有網絡功能和人類認識世界的能力。WSN技術現已經被廣泛應用。

2 WSN技術在農業生產自動化中的應用

2.1 我國農業發展現狀

農業生產的發展過程受到了社會以及自然兩方面的影響。我國是農業大國，建國初期，為了解決糧食供應短缺問題，在農業生產上，注重產量，當前我國溫飽問題基本得到解決，農業生產應該用經濟效應來衡量，注重產業效率，我國大部分地區農業生產相當的落后，仍然靠人力、畜力耕種，限制了勞動力，提高了生產成本。因此我國農業發展趨勢應走向自動化，高效率，高精度的機械化，智能化生產。

2.2 WSN技術在農業生產中的應用

2002年，英特爾公司在餓勒岡建立了世界上第一個無線葡萄園，將無線傳感器結點人工分布在葡萄園中，對園中土壤的溫度以及養分含量等作物生長條件進行實時監控。杭州齊格科技有限公司與浙江農科院合作研發了遠程農作物管理決策平臺，該平臺利用了WSN技術實現對農田的溫度、濕度、光照等信息的監測。北京市“蔬菜生產智能化網絡傳感器體系研究與應用”項目，將WSN應用于溫室蔬菜生產中。將溫室作為一個監控區，使用WSN技術對溫度、PH值、含水量、光照強度等進行測量，根據實際需要，對溫室條件進行調整，以達到農作物生長的最佳條件，增加作物產量。在大規模部署傳感器節點時可以通過飛機播撒，人工設置，火箭彈射等方式部署在預設區域。無線傳感器網絡具有的實時性監測，無線通信特點，使其在農業生產上有很大發展前景。典型應用如下：

1）農業灌溉自動化控制技術

我國是個貧水國家，水資源總量居世界第4位，人均僅為第121位。農業用水占總用水量的七成，但我國農田灌溉十分落后，水的實際利用率很低，浪費嚴重，與發達國家相比仍有差距。采用自動灌溉系統，在土壤中人為安放水分傳感器、溫度傳感器，對農作物的生長條件進行監控，根據實際，進行自動供水和自動按一定順序進行灌溉。

2）溫度自動調控

蔬菜生產中，溫室生產規模正在逐步擴大，傳統溫室監控系統成本高，移動性差等問題很突出。近年來，節能高效的WSN技術正在溫室監控領域興起。基于WSN的溫度監控系統由匯聚節點和子節點構成。將傳感器分布在溫室中監控溫室內土壤溫度、濕度、PH值、光照強度等，通過無線網絡傳到匯聚結點，匯聚結點對數據進行處理，將命令通過無線網絡下發給調控節點，調控節點根據所得命令對灌溉設備、加熱器等進行控制，改變溫室條件。匯聚節點還可接受人工控制，與互聯網連接，使用戶可以進行遠程監控。

3 WSN在農業生產中的應用

3.1 WSN實際應用中的問題

在實際農業生產中，節點工作環境惡劣，網絡規模較大，節點數目多，在保證網絡規模的同時，要考慮網絡成本，為了實現實時監控，傳感器的施放位置很難定位，節點能量有限，節點可能會失效，WSN在實際應用中的問題如下：

1）網絡規模較大

節點必須盡可能大規模高密度部署，保證監控區域的覆蓋范圍和連通度，否則無法實施網絡的自組和數據匯聚，而大規模組網，使生產成本增加，降低了經濟效益，影響網絡實際應用。

2）對于網絡容錯的解決

農業生產中，各傳感器網絡所監控到的數據的準確性對農業生產非常關鍵。及時了解節點的狀況，進行網絡容性處理對農業生產的影響十分重要，而網絡容錯所要處理的問題主要是節點檢測和節點恢復。節點檢測則需要GPS對其定位，若在大范圍的布置GPS設備，會提高成本，保證節點定位同時保證經濟效益是需要解決的問題。節點恢復，常常用冗余的節點替換失效的節點功能的方法解決，但對冗余節點的位置與數量有一定要求。

3.2 WSN的關鍵技術

由WSN的結構特殊性，對于WSN在實際應用中應該掌握以下關鍵技術：

1）節點定位

定位技術是位置未知節點根據少數參考節點，根據特定的機制確定自身位置，包括節點自定位和網絡區域內的目標定位跟蹤。節點自定位是指確定網絡中節點自身位置，是部署組網的基本要求。目標定位跟蹤通過網絡中節點之間的配合完成對網絡區域中特定目標的定位和跟蹤，一般建立在節點自定位的基礎上。常用方法用三邊測量法，三角測量法和極大似然估計法。

2）與其它網絡的融合

WSN與現代網絡融合將大大提高WSN的實際應用功能，將WSN與移動通信網絡、Inter網融合，一方面WSN可以借助著兩種傳統網絡進行通信；另一方面可以利用傳感信息實現新的發展。

4 結論

WSN絡融合了嵌入式技術、計算機網絡技術和通信技術等現有的先進技術，自主實現對各種信息的采集、傳輸和處理，是一種有廣泛發展前景的監控網絡技術。為人們提供了一種全新的信息采集、信息處理和信息利用的方法，具有自主性，實時性特點，適合農業生產管理。文章通過對WSN的組成、體系結構和關鍵技術的簡介和其在實際農業生產應用實例，說明WSN在推動農業生產自動化中的作用。

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TP393

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1674-6708（2010）18-0129-02