面向精細農業的無線傳感器網絡關鍵技術研究

安長華（中國移動天津公司，天津　300100）

面向精細農業的無線傳感器網絡關鍵技術研究

安長華
（中國移動天津公司，天津300100）

傳感器網絡與通信技術和計算機技術共同構成信息技術的三大支柱，有助于改善傳統農業的弊端。而精細農業就是一種現代化農業理念，是指基于變異的一種田間管理手段。其目標是提高生產效率的同時減少投入，提高產量。基于此，從農業應用環境對無線信號傳播特性的影響出發，對面向精細農業的無線傳感器網絡組織結構和組網方式進行研究。

精細農業；無線傳感器；信號

我國人口眾多，土地的人均占有量嚴重不足。在保護好生態環境的基礎上，如何利用有限的土地資源，提高產品的質量是當前關注的熱點。精細農業是以網絡信息和專業知識為依據，以提高作物的產量和質量為目標的現代農業。根據獲取作物的生長環境要素（生長的最佳溫度、濕度，風向風速，日照時間，含水量等）的差異性，區別對待不同的農作物，以提高作物產量、質量和環境質量。而面向精細農業無線傳感器網絡的應用起到了關鍵作用，無線傳感器網絡的關鍵技術包含哪些是值得研究的。

1　網絡安全

人類社會存著各種各樣的安全問題，制約著社會的發展，影響著人類正常的生活。當然無線傳感器網絡中也存在著各種安全威脅。由于無線傳感器網絡規模大、范圍廣，但是收到節點自身的能力的制約。傳感節點也不一定都是與基站直接進行通信的，而且無線傳感器網絡（WSN）通常部署在敵對環境中，所以信息容易被竄改、丟失。所以，網絡安全是無線傳感器網絡中的關鍵技術。

1.1無限傳感網絡存在的安全威脅

在當今社會中無限傳感網絡存在著多種安全威脅，主要有以下幾點：①網絡迅速發展但缺少健全的運行機制，給用戶帶來各種不便，導致信息暴露或被非法用戶截獲；②一個節點遭破壞；③識別偽節點；④如何向已有傳感器網絡添加合法的節點。

1.2解決網絡安全問題的措施

為了解決網絡安全問題，應該采取積極有效的措施：①任何人未經批準，不得擅自在網站上發布信息或更改網站頁面版式和內容，必須經網絡信息管理部主任審核同意后才能發布；②上網材料必須是已正式對外公布的文件或資料，未正式對外公布的資料不得上網發布；③網站密碼由公司網站管理員專人負責控制，不準向任何部門或個人泄露；④網絡管理員應維護網絡安全，避免網站被病毒、黑客襲擊，如發現網站運行不正常時應及時處理；⑤設置雙方加密的形式，每個節點只設置一個密鑰，當節點的距離過長時，網絡會在節點和基站之間的一個合適的位置選擇節點，發送斷也會對數據進行加密。其結構如圖1所示。

圖1　無線傳感網絡結構

主控計算機通過傳感器總線控制器與傳感器總線上的多個節點通信并實現上層監控和決策功能，每個節點包含一個或多個傳感器執行器和總線接口模塊，節點間的通信方式可以是對等的（Peer-to-Peer）或主從的（master-slave）。

2　信息的處理和電源的使用

信息的處理和電源的使用也是無線傳感器應該研究的網絡技術的關鍵。無線傳感器網絡中，節點的喚醒方式主要有全喚醒模式、隨機喚醒模式、由預測機制選擇喚醒模式、任務循環喚醒模式。其中，由預測機制選擇喚醒模式是指無線傳感器網絡中的節點根據跟蹤任務的需要，選擇性地喚醒對跟蹤精度收益較大的節點，通過本拍的信息預測目標下一時刻的狀態，并喚醒節點。這種模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。電池無線充電技術是特別引入關注和可能發展的方向。

3　無線傳感器網絡的協議結構

無線傳感器網絡的協議結構是另一項關鍵技術。無線傳感器網絡對協議結構的期待是：盡量簡化協議層次，盡量簡練信令方式，盡量利用廣播信息，盡量避免交互應答。用簡潔的協議棧支持無線傳感器網絡的有效運行。其中，區域覆蓋和路由協議很重要，到處存在接入可能，節省系統開銷的路由選擇，有向擴散的路由協議，都是值得研究開發的。極大量無線傳感器終端的識別和管理，極大量采集數據的集中處理和應用，也是無線傳感器網絡面臨的值得解決的課題。

3.1容錯機制

由某種系統控制在一定范圍內的一種允許或包容犯錯情況的發生。在使用電腦的某個程序時，常常會遇到“程序無反應”或“程序未響應”的情況發生，此時這個程序便不能在進行下去，但經常會在幾秒后恢復到正常使用狀態。這種“無反應”或“未響應”幾秒鐘的錯誤狀態，稱之為“容錯”。

在任何網絡系統中都應該有個很好的容錯機制，無線傳感器網絡也不例外。無線傳感器的節點經常處于敵對的環境中，很容易產生“容錯”現象，無線傳感網絡的覆蓋范圍比較廣，分布范圍廣，所需節點的數量也多，更容易造成系統運行的障礙，維護起來十分困難。為了保證系統的正常運行，必須建立良好的容錯機制。常見的容錯系統有多途徑備份、局部恢復和利用編碼理論等。可以根據不同的要求，采用不同的容錯機制。

3.2能量問題

信號的覆蓋范圍較廣，傳感器節點的分布眾多，并且需要進行數據的處理，而且網絡中的節點一般用電池供電，更換電池也是很困難的過程。如何解決傳感器的能量問題是無線傳感器網絡設計中的核心內容。當檢測事件發生時，傳感器從休眠模式中恢復正常工作，可以自動適應休眠和喚醒，對于突發事件進行處理，這樣便可以節約能量。這樣既可以滿足系統的需要也可以節約能量。在滿足系統的要求的情況下，采取降低耗電量是十分重要的。同時，可以使用新型電池（高含電量、自動充電等），滿足傳感器的需要。

3.3數據完整性和實時性

網絡信息也具有時效性和完整性的特點，在網絡測量數據的過程中，應該保證信息的完整性和機密性，預防黑客對系統的攻擊造成信息的暴露，影響人們的正常生活。信息是具有時效性的，應該時刻保證檢測信息的更新、變化，保證信息的隨時更新，確保不會因為信息的滯后而影響人們對農業施肥、灌溉等程序的判斷，造成不必要的經濟損失。

3.4密鑰管理

為了實現、滿足上面的安全需求，需要對加密密鑰進行管理。無線傳感器網絡由于能源和計算能力的限制，需要在安全級別和這些限制之間維持平衡。密鑰管理應包括密鑰分配、初始化階段、節點增加、密鑰撤銷和密鑰更新。

無線傳感器網絡在促進農業經濟發展的前提下也推進了傳統農業的現在化，但也存在著諸多的技術漏洞急需解決。因此，應該建立良好的網絡安全機制，合理及時地對信息進行處理，完善無線傳感器的網絡技術，讓網絡推動農業的發展。

TN929.5；TP212.9

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1674-7909-（2016）11-44-2