物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害中的應(yīng)用

趙靜, 王 巖, 楊淼, 譚秀蘭

(①成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川成都,610106;②黑龍江工程學(xué)院電子工程系,黑龍江 哈爾濱,150050;③西南石油大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川 成都,610500)

0 引言

自物聯(lián)網(wǎng)的概念一提出就受到國內(nèi)外各界的高度關(guān)注,此后研究者們圍繞這個主題,展開研究。隨著全球經(jīng)濟一體化和信息技術(shù)的發(fā)展,以及政府對于物聯(lián)網(wǎng)研究和開發(fā)的高度重視,物聯(lián)網(wǎng)已近在全世界已經(jīng)掀起了科技和經(jīng)濟的熱潮,其應(yīng)用也逐步開始走向市場。

物聯(lián)網(wǎng)具有廣泛的應(yīng)用前景,在軍事國防、城市管理、家庭醫(yī)療、電子商務(wù)、智能交通、精準農(nóng)業(yè)、病蟲害監(jiān)測和其他領(lǐng)域方面具有很大的優(yōu)勢[1-2]農(nóng)作物病蟲害是嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一,發(fā)生嚴重時,可以造成農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)和使農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)變劣,影響國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活質(zhì)量及身體健康水平的提高。帶有危險性病蟲害的農(nóng)產(chǎn)品既不能出口出境,也不能在國內(nèi)市場銷售,制約了地方經(jīng)濟的發(fā)展,甚至直接影響中國的糧食和食品安全。目前病蟲種類繁多,且同一類危害性強的害蟲可能嚴重影響多種農(nóng)作物生產(chǎn)。就該種情況而言,對農(nóng)業(yè)害蟲的監(jiān)測與防治將是一個重點研究的課題,由于農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害信息監(jiān)測的研究還處于初步階段,具體的實際應(yīng)用還不夠成熟,這項研究將是一個極大的挑戰(zhàn)。然而,最新提出的物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,通過布置具有傳感功能的監(jiān)測節(jié)點的監(jiān)測系統(tǒng),將能很好的對農(nóng)業(yè)中病蟲害進行監(jiān)測。

1 物聯(lián)網(wǎng)的概述

物聯(lián)網(wǎng)就是通過無線射頻識別(RFID,Radio Frequency Identification)、傳感器、全球定位系統(tǒng)(GPS,Global Positioning System)等各種設(shè)備,通過無線網(wǎng)絡(luò)進行信息交換和通信,實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的巨大網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在實現(xiàn)物與物之間的通信時,融合了傳感器、計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、半導(dǎo)體等技術(shù)。從產(chǎn)業(yè)和用戶角度體等多種技術(shù)看,其核心是“物物互聯(lián)”,即從利用先進的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信來說叫物聯(lián)網(wǎng),從技術(shù)支撐角度來說,它又叫傳感網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物物通信,就必須要對物體上信息進行準確實時的監(jiān)測、采集并且傳輸終端。而對于信息的感知,可以采用兩種方法：①利用 RFID射頻技術(shù)在感知對象上貼上標簽,以對信息進行識別和采集,并將信息傳送到RFID系統(tǒng)中的計算機信息管理系統(tǒng);②將傳感器節(jié)點嵌入到需要關(guān)注和采集信息的地點或物體中,通過具有傳感、信號處理的無線信息采集節(jié)點、匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)傳到網(wǎng)關(guān),再借助 Intemet、移動通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星等與監(jiān)控中心通信。

2 物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)監(jiān)測中的結(jié)構(gòu)體系

物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害信息監(jiān)測系統(tǒng)中,基于農(nóng)業(yè)害蟲監(jiān)測這個特殊的系統(tǒng),主要采用的是上述提到的第二種方法來實現(xiàn)對蟲害信息的監(jiān)測和采集。那么節(jié)點的設(shè)計和選擇將是整個監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。從農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測信息系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)上看,其關(guān)鍵主要分為四大類：網(wǎng)絡(luò)感知節(jié)點的設(shè)計、監(jiān)測信息的采集、傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)智能化處理。

該系統(tǒng)由傳感信息節(jié)點、通信系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)、信息服務(wù)終端以及監(jiān)控軟硬件系統(tǒng)構(gòu)成,體系結(jié)構(gòu)[3]如圖 1所示。

圖 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架

2.1 無線傳感信息節(jié)點結(jié)構(gòu)及能耗特性

基于農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測無線傳感信息節(jié)點是整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中的最重要的組成部分,由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊以及電源模塊四部分組成,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。

每一個傳感信息節(jié)點的各個模塊能耗特性各不相同,其中無線通信模塊能耗最多。由于該節(jié)點主要是采用能量有效的電池供電,且節(jié)點數(shù)目多、分布廣,不能夠通過更換電池的方式來增加網(wǎng)絡(luò)的壽命。因此,在搭建整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時,首要考慮的是節(jié)點的能耗,采取優(yōu)化的節(jié)能策略。

為了降低各個傳感節(jié)點的能耗,可以選用兩種途徑：一是在設(shè)計該系統(tǒng)的節(jié)點時,選用優(yōu)化了結(jié)構(gòu)的低能耗的無線通信模塊,以提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期。二是采用低能耗的動態(tài)功率管理技術(shù)(DPM,Dynamic Power Management)和動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(DVS,Dynamic Voltage Scaling)[4],這兩種能量管理與調(diào)節(jié)技術(shù)可以有效的降低空閑節(jié)點的處理器和各組件能耗。

2.2 系統(tǒng)基本的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

針對所研究的農(nóng)業(yè)病蟲災(zāi)害這個特殊體系,提出了一種基于傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù) GPS技術(shù)、GPRS技術(shù)等技術(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為三個網(wǎng)絡(luò)層：監(jiān)測區(qū)信息采集終端即網(wǎng)絡(luò)感知層、監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)終端處理層組成。

網(wǎng)絡(luò)感知層：傳感信息節(jié)點分布在被監(jiān)測區(qū)域的每個角落,能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感節(jié)點定時的對監(jiān)測區(qū)域進行一次有害病蟲數(shù)量的檢查,并將采集到的信息在節(jié)點內(nèi)進行初步處理以后,沿著其他節(jié)點逐跳傳送到匯聚節(jié)點,再通過匯聚節(jié)點通過外部網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)。

監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)層：該傳輸層功能是將匯聚節(jié)點傳輸來的信息,在通過無處不在的通信網(wǎng)絡(luò),即 Internet、衛(wèi)星、移動通信網(wǎng)等接入到物聯(lián)通信網(wǎng)上去,并結(jié)合合理有效的路由協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議,將數(shù)據(jù)安全可靠的傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

數(shù)據(jù)終端處理層：它是無線通信網(wǎng)絡(luò)層傳輸信息的終端,即計算機系統(tǒng)。該系統(tǒng)的監(jiān)測中心將收集到的數(shù)據(jù)進行處理以后提供給用戶。此時,用戶可以借助“云計算”將所獲得的數(shù)據(jù)進行精確的處理和分析農(nóng)業(yè)上病蟲害情況,并做出是否予以處理的決定。

2.3 害蟲監(jiān)測技術(shù)

由于該系統(tǒng)中的信息節(jié)點由多種害蟲監(jiān)測傳感器組成,那么其監(jiān)測技術(shù)將與節(jié)點息息相關(guān)。傳統(tǒng)害蟲監(jiān)測手段主要是依據(jù)昆蟲間化學(xué)通訊和物理學(xué)反應(yīng)而實現(xiàn)的,應(yīng)用廣泛的是性誘劑和黑光燈。但這存在的嚴重不足時耗時、消耗大量的人力和物力且害蟲數(shù)據(jù)質(zhì)量差等,為克服這些不足,依據(jù)對害蟲群密度獲取方式,并結(jié)合傳統(tǒng)的監(jiān)測技術(shù),采用現(xiàn)代信息技術(shù)[5]對不同種類的害蟲自動監(jiān)測和計數(shù)。可以采用計算機視覺技術(shù)、聲音信號技術(shù)、傳感器技術(shù)、雷達技術(shù)、遙感技術(shù)等。

3 物聯(lián)網(wǎng)中的安全策略

在整個農(nóng)業(yè)病蟲害的監(jiān)測系統(tǒng)中,一個重要環(huán)節(jié)之一是數(shù)據(jù)在傳輸,因為數(shù)據(jù)在傳輸過程中很容易受到攻擊、篡改、數(shù)據(jù)沖突、堵塞、重發(fā)等,那么保障數(shù)據(jù)的安全性和可靠性將是一個核心的問題。基于農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)安全機制從兩個角度[6]進行研究：①從維護路由安全的角度出發(fā),尋找盡可能安全的路由以保證網(wǎng)絡(luò)的安全,可以采用兩類手段——利用密鑰系統(tǒng)建立起來的安全通信環(huán)境來交換路由信息和利用冗余路由傳遞數(shù)據(jù)包;②是把重點放在安全協(xié)議方面,可以使用安全網(wǎng)絡(luò)加密協(xié)議(SNEP,Sensor Network Encryption Protocol)和基于時間的高效的容忍丟包的流認證協(xié)議 μTESLA等。

4 監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)注意的問題

究。雖然最后就該監(jiān)測系統(tǒng)的特殊性,提到了兩點注意事項,但是并沒有進行深入的研究,然而對數(shù)據(jù)信息處理的每一過程中,數(shù)據(jù)的可靠性對于整個系統(tǒng)而言,將是至關(guān)重要的,這將是日后研究的重點。

任何一個監(jiān)測系統(tǒng)要達到真正的實用和普及的目的,需要注意以下問題：

①可靠性：由于農(nóng)業(yè)區(qū)域都是范圍廣大、條件復(fù)雜的環(huán)境,要對監(jiān)測區(qū)域的害蟲進行監(jiān)測,除了考慮安全的硬件設(shè)備以外,另一個關(guān)鍵部分是保證整個系統(tǒng)的可靠運行,以得到可靠數(shù)據(jù);

②經(jīng)濟性：就目前農(nóng)業(yè)害蟲信息監(jiān)測現(xiàn)狀來看,需要加強對這方面的研究,但是開發(fā)和研究也應(yīng)該考慮整個系統(tǒng)經(jīng)濟性,這樣的系統(tǒng)才能被推廣。

5 結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),將為農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測從示范到具體應(yīng)用的研究搭建一個很好的系統(tǒng)框架。首先對物聯(lián)網(wǎng)進行了簡要的介紹,而后搭建了物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)害蟲信息監(jiān)測這個系統(tǒng),并重點對系統(tǒng)中各個網(wǎng)絡(luò)層次功能及特性進行了分析和研

[1]趙靜,宋剛,周馳岷,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].通信技術(shù),2008,41(04)：124-126.

[2]王驥,徐國保,沈玉利.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海水檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].通信技術(shù),2008,41(12)：385-387.

[3]林元乖,王龍,吳蔣.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].瓊州學(xué)院學(xué)報,2009,16(05)：32-34.

[4]章堅武,張季姬.無線傳感器節(jié)點低功耗的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(12)：2679-2682.

[5]呂昭智,沈佐銳,程登發(fā),等.現(xiàn)代信息技術(shù)在害蟲種群密度監(jiān)測中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(12)：112-114.

[6]李紅艷.傳感器網(wǎng)絡(luò)安全研究與分析[J].信息技術(shù)與信息化,2006,(06)：44-46.