無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)中的應用

楊斌　沈朗　楊春俊

摘要：我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響著社會經(jīng)濟的發(fā)展，為了加快農(nóng)業(yè)的發(fā)展步伐，大量高科技被運用到農(nóng)業(yè)中，其中無線傳感器網(wǎng)絡也被有效地運用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。文章就無線傳感器網(wǎng)絡的應用現(xiàn)狀、無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)技術中的應用等一系列問題進行了闡述。

關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；農(nóng)業(yè)；數(shù)據(jù)整合；節(jié)點部署；路由算法 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP212 文章編號：1009-2374（2015）29-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.023

1 無線傳感器網(wǎng)絡的應用現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）具有極大的使用價值，無線傳感器網(wǎng)絡最早被運用于軍事工業(yè)、國家安全、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領域。美國國防部及其各軍事部門還專門設立一系列的軍事傳感網(wǎng)絡研究項目，對無線傳感網(wǎng)絡進行詳細的研究。2002年，無線傳感器網(wǎng)絡被應用于民用領域。Intel公司公布了一項全新的關于WSN新型計算規(guī)劃，主要研究WSN在預防醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測、森林滅火、海底板塊調查、行星探查等多領域的運用。2003年，美國《商業(yè)周刊》未來技術專版，無線傳感器網(wǎng)絡被列入未來四大新技術之中。美國《今日防務》雜志刊登了無線傳感器網(wǎng)絡，給予無線傳感器網(wǎng)絡高度評價，它會引起一場劃時代的軍事技術變革。繼美國之后，英國、日本、意大利、中國等也紛紛加入研究WSN的行列。2006年，中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）研發(fā)項目中就有無線傳感網(wǎng)絡。隨著各國對無線傳感器網(wǎng)絡的深入研究，無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)成為當前社會中一種新的通信模式，對科技的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。無線傳感器網(wǎng)絡也被廣泛應用到農(nóng)業(yè)中，為農(nóng)民服務。

2 無線傳感器網(wǎng)絡在農(nóng)業(yè)中的應用

無線傳感器網(wǎng)絡是一項全新的通信技術，對于它的研究和應用還處于初步階段，為了使其發(fā)揮最大功效，我們還需繼續(xù)研究，不斷為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務。

2.1 WSN的數(shù)據(jù)整合

WSN數(shù)據(jù)融合能減少網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸量，大量節(jié)省傳感器節(jié)點的能量，最終能夠延長WSN的使用時間。在采集數(shù)據(jù)時，由于WSN中傳感器節(jié)點布置稠密，相鄰節(jié)點采集獲得的信息很相似，可以有效地利用節(jié)點的本地計算能力、存儲能力，處理大部分數(shù)據(jù)、信息，除掉多余的信息，這種處理方式稱作數(shù)據(jù)融合。

2.2 WSN的節(jié)點部署

在工作中，WSN中各傳感器節(jié)點可動態(tài)進行布控，傳感器節(jié)點會因電池能量的耗盡或其他原因而停止工作，其他傳感器節(jié)點也會因臨時的工作需要而被增添到網(wǎng)絡中。基于此可知，WSN傳感器節(jié)點具有動態(tài)的拓撲組織功能。如圖1：

2.3 WSN的路由算法

WSN路由協(xié)議的工作主要是在傳感器節(jié)點與Sink節(jié)點間設立路由，以便于數(shù)據(jù)傳遞。WSN路由應用于農(nóng)業(yè)中會受到能耗、網(wǎng)絡負載情況、網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化、網(wǎng)絡增加節(jié)點數(shù)、數(shù)據(jù)融合等因素影響。當前，農(nóng)業(yè)設施也一步步改善，對于應用于農(nóng)業(yè)的WSN路由也提出了更高的要求，需設計出更新型的路由協(xié)議，以適應快速發(fā)展的農(nóng)業(yè)需要，使路由協(xié)議發(fā)揮最大功效。對此，華南農(nóng)業(yè)大學肖德琴對新型路由協(xié)議做了研究，提出“基于精細化梯度的能量有效動態(tài)水分傳感器網(wǎng)絡查詢的算法”，這樣能減少網(wǎng)絡的能耗，讓路由協(xié)議更好地為農(nóng)業(yè)服務。

2.4 WSN的節(jié)能問題

無線傳感器網(wǎng)絡應用在農(nóng)業(yè)中需要大量的電池支持運行，傳感器節(jié)點數(shù)量多、密集。在工作時，我們時常更換電池會很麻煩，經(jīng)常更換電池會影響無線傳感器網(wǎng)絡的運行工作。為此，如何提高電池利用率和有效地節(jié)能是我們急需克服的問題。一些學者對節(jié)能問題作了研究，也提出了一些好的節(jié)能辦法。總的概括為改變路由方式和優(yōu)化路由算法。

2.4.1 改變路由方式：紀金堡倡導“A-LEACH”協(xié)議路由方式，能優(yōu)化MAC層協(xié)議。該協(xié)議方式主要關注節(jié)點剩余量等方面的簇頭選擇方法，延長了網(wǎng)絡的運用時間，有效地提高了網(wǎng)絡能量的利用效率。

2.4.2 優(yōu)化路由算法：崔海霞等人改進了S-MAC協(xié)議，節(jié)點設置在偵聽與睡眠間互相切換，大大減少干擾的面積，節(jié)省大量的能量，在偵聽時用最有優(yōu)勢的發(fā)生功率發(fā)送數(shù)據(jù)和操控信息。

3 無線傳感器網(wǎng)絡引起重視的問題

當前，為了很好地將WSN廣泛應用到農(nóng)業(yè)中，研究者對WSN的研究已經(jīng)取得了一些成績。但是隨著科技的不斷發(fā)展，WSN的一些問題也隨之而產(chǎn)生，我們需要用發(fā)展的、動態(tài)的眼光看待WSN，不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不斷解決新問題，推動WSN的快速發(fā)展。

（1）WSN與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之間的相融問題，特別需要注意的是無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的相融問題。（2）迫切需要研發(fā)新型低功耗傳感器：當前使用的傳感器節(jié)點主要是針對氣溫溫度節(jié)點、土壤溫濕度節(jié)點、土壤電導節(jié)點、光照度、二氧化碳濃度等，這些節(jié)點監(jiān)測的信息不能面面俱到，它們只能監(jiān)測到生物生長的一些環(huán)境信息。除此之外，一些傳感器需要大量的工作電壓（莖流傳感器、莖桿直徑變化量傳感器），一些電池是無法支持其運行的。為此，我們需要研制出一款新型低功耗傳感器。（3）WSN網(wǎng)絡安全問題。WSN網(wǎng)絡安全問題是值得注意的問題，研究者應該研究出一些安全措施，輔助WSN使用，如密碼技術、密鑰管理、入侵檢測、安全路由等安全措施輔助WSN工作。（4）WSN傳感器節(jié)點的定位問題。在WSN工作時，如何定位傳感器節(jié)點也是急需解決的問題，因為傳感器節(jié)點會在WSN使用中增加或受到一些干擾而停止工作。只有科學地定位傳感器節(jié)點，準確掌握傳感器節(jié)點的位置，才能在事故發(fā)生時及時予以解決。（5）WSN 3G通信技術的應用。當前，3G技術被廣泛地應用到移動網(wǎng)絡中，3G技術能傳遞數(shù)據(jù)、視頻、音頻等信息，把3G技術有效地使到WSN中可以提升系統(tǒng)的容量、提高通信的質量、提升傳輸?shù)乃俣取Ｎ覀儗⑴Π裌SN與Internet聯(lián)系起來，為移動終端客戶提供更優(yōu)質的服務。（6）覆蓋和連通問題是節(jié)點部署的重要問題：當前，我們在二維結構下部署傳感器節(jié)點，將來會在三維結構中布置傳感器節(jié)點，那么所面臨的困難就會更大。為此，我們要重視對傳感器節(jié)點部署問題的研究，制造出更好的感知模型研究傳感器節(jié)點的部署。

4 結語

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，無線傳感器網(wǎng)絡又對農(nóng)業(yè)發(fā)展有極高的應用價值，為此，我們極為重視無線傳感器網(wǎng)絡。國家和一些研究機構投入很大的精力去研究無線傳感器網(wǎng)絡技術，相信隨著研究的逐漸深入，無線傳感器網(wǎng)絡的使用范圍會越來越廣，無線傳感器網(wǎng)絡的前景會越來越好。

參考文獻

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作者簡介：楊斌（1977-），陜西扶風人，云南省電子工業(yè)研究所工程師，研究方向：電子技術。

（責任編輯：陳 倩）