無線傳感器網絡在智能農業中的應用研究

張亞鋒

（甘肅農業大學 信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域[1]。它綜合了傳感器、嵌人式計算、現代網絡及無線通信、分布式信息處理等技術，由大量微型傳感器節點和網關構成，能夠協作地采集、感知和實時監測網絡覆蓋區域內監測對象或各種環境的信息，通過無線傳輸方式送到用戶終端。在我國傳統農業中，人們主要通過人工測量的方式獲取農田信息，獲取過程中需消耗大量的人力，而無線傳感器網絡在農業中的應用可以有效降低人力消耗，高效、實時地獲取精確的作物環境和作物信息，降低了農田管理工作量，提高了農業管理智能化水平。

1 無線傳感器網絡的概述

1.1 無線傳感器網絡結構

無線傳感器網絡結構由傳感器節點、網關和監控中心組成，如圖1所示。傳感器節點以人工部署或飛行器撒播等方式隨機布置在監測區域內，具有采集信息、無線通信等功能，并通過自組織、多跳路由的無線網絡將信息傳輸到網關，網關可以和監控中心的PC機直接通信，也可以通過移動通信網絡、互聯網(Internet)或衛星等多種無線方式與監控中心通信，監控中心可以顯示采集到的信息，也可以對網絡進行設置、管理以及發布監測任務等。

在不同的實際應用中，傳感器節點設計各不相同，但它們的基本結構是一樣的，主要包括傳感器模塊、微處理器模塊、射頻模塊、電源模塊。傳感器模塊主要負責監測區域內環境數據的采集和轉換；微處理器模塊是節點的核心模塊，具有數據處理和存儲，執行通信協議以及節點調度管理等功能；射頻模塊用于完成數據的發送、接收和傳輸等無線通信任務；電源模塊為WSN節點提供所需的能量，決定了節點的壽命。

圖1 無線傳感器網絡結構

1.2 無線傳感器網絡特點

1.2.1 網絡規模大、節點密度高 為了保證獲取的信息精確、完整，往往可能有成千上萬個傳感器節點密集部署到監測區域內。

1.2.2 無中心和自組織性 無線傳感器網絡是一個對等網絡，所有結點地位平等。網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節點啟動后就可以快速、自動地組成一個獨立的網絡。

1.2.3 動態拓撲 節點的移動、加入或退出網絡，都會使無線傳感器網絡的拓撲結構發生變化，這就需要網絡具有動態拓撲功能。

1.2.4 以數據為中心 在WSN中，人們只會關心某個區域內某個觀測指標的數據，而不會去關心具體單個節點的觀測數值。

1.2.5 硬件資源和電源容量有限 由于傳感器節點的處理器能力比較弱、存儲器容量比較小，因此其在計算能力、存儲容量、通信能力和電源能量等方面受限。

2 無線傳感器網絡在智能農業中的應用

2.1 智能農業

對于傳統農業，主要通過人們的感知能力對影響農作物生長的各種因素進行辨別，具有極大的不準確性，這樣農業管理也就達不到精細化的要求，成為一種粗放型管理，伴隨隨著科學技術的發展和城鎮化的改革，對傳統農業的要求不斷提高。因此，將先進技術應用于農業中，所謂的智能農業隨之產生。

智能農業是將人工智能技術應用于農業領域的一項高新技術。智能農業系統覆蓋了從影響農業生產的自然參數的采集，到利用知識推理和計算機技術進行參數分析，最終通過農業專家系統指導農業生產的整個生產管理鏈。

2.2 應用研究現狀

2.2.1 溫室環境

2009年，Leong等[2]利用WSN設計與實現了溫室環境監測系統，傳感器網絡部署在一個生產萵苣的商業溫室中，根據傳感器節點采集到的信息，可對影響萵苣生長的溫度和營養液進行優化控制，也驗證了星型網絡可靠性比較高。

2011年，王福祿等[3]組建了基于ZigBee的溫室環境監測系統，通過電源和功耗的檢測和育苗溫室的現場試驗，該系統能夠高效、實時采集溫室環境信息，具有低功耗，電源供電穩定，高可靠性等特點。

2012年，趙春江等[4]設計了由CC2430和LPC1766芯片及串口攝像頭組成的圖像傳感器節點，該節點可以采集、傳輸及顯示溫室環境圖像信息，滿足獲取溫室生產履歷信息的要求。

2.2.2 節水灌溉

2009年，Alberto等[5]在托斯卡納（意大利）對容器中生長的植物進行灌溉管理研究，討論了傳感器集成在無線網絡中的計算機控制的灌溉和創新的灌溉策略如雙水灌溉，其目的是提高農作物灌溉效率。

2011年，趙養社[6]設計了基于WSN與GPRS的灌溉系統，選擇了墑情傳感器埋入地下的深度,給出了根系發育層墑情指數的計算公式，并實現傳感器節點的能量監控，及時提醒用戶更換節點。

2012年，孫燕等[7]基于 ZigBee技術、無線移動網絡(TD-SCDMA)和Internet，設計了實時在線的自動節水灌溉遠程監控系統。該系統采用了節能的設計方案；利用作物自身冠層的溫度決定是否需要灌溉；增加了語音提示功能；解決了在環境復雜、遮擋物較多等干擾情況下的傳感器節點部署問題。

2.2.3 畜禽養殖

2010年，Hwang等[8]采用WSN技術組建了一個無處不在的豬場養殖系統，該系統為用戶提供了環境監測和可追溯性管理，從而實現豬肉品質改善和增產。

2011年，龐超等[9]提出了基于RFID技術與WSN技術相結合的奶牛養殖信息溯源系統，系統在奶牛檢驗合格后安裝電子耳標，在飼養過程中用手持讀寫器采集飼喂、繁殖、病疫等信息，通過WSN網絡傳輸到溯源數據中心，實現奶牛溯源信息高效采集與實時傳輸。

2013年，張飛云[10]開發了基于ZigBee技術的豬舍控制系統。通過對豬舍內溫濕度和氨氣濃度的實時監測，用來自動控制換氣扇的轉速和保溫門的狀態，其目的在于自動控制豬舍環境。

3 結語

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取與處理技術，將其應用到農業生產和管理中，可以對農業生產環境進行智能感知、智能預警、智能分析和智能決策，實現農業生產的精準化種植、可視化管理及智能化決策。本文通過對無線傳感器網絡在農業中應用研究現狀的介紹，可見在節能問題、節點部署、通信距離等關鍵技術上仍存在許多問題需要解決。但是隨著相關技術的發展、完善和關鍵技術的解決，無線傳感器網絡必將廣泛應用于農業生產中。

［1］崔莉,鞠海玲,苗勇,等.無線傳感器網絡研究進展[J].計算機研究與發展,2005,42(1):163-174.

［2］Leong B T,Chan T K,Sellappan P.Monitoring of an Aeroponic Greenhouse with a Sensor Network [J].IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security,2009,9(3):240-246.

［3］王福祿,房俊龍,張喜海.基于無線傳感器網絡的溫室環境監測系統研究[J].東北農業大學學報,2011,42(2):59-64.

［4］趙春江,屈利華,陳明,等.基于 ZigBee的溫室環境監測圖像傳感器節點設計[J].農業機械學報,2012,43(11):192-196.

［5］Alberto Pardossi,Luca Incrocci,Giorgio Incrocci,et al.Root Zone Sensors for Irrigation Management in Intensive Agriculture[J].Sensors,2009,9(4):2809-2835.

［6］趙養社.基于無線傳感器網絡和GPRS網的灌溉系統研究[J].安徽農業科學,2011,39(7):4203-4206.

［7］孫燕,曹成茂,馬德貴.基于ZigBee網絡的節水灌溉自動控制系統研究[J].農機化研究,2012(6):153-156.

［8］Hwang J,Yoe H.Study of the ubiquitous hog farm system using wireless sensor networks for environmental monitoring and facilities control[J].Sensors,2010,10(12):10752-10777.

［9］龐超,何東健,李長悅,等.基于 RFID與 WSN的奶牛養殖溯源信息采集與傳輸方法[J].農業工程學報,2011,27(9):147-152.

［10］張飛云.基于ZigBee無線網絡的智能豬舍控制系統設計[J].廣東農業科學,2013(15):185-187.