无线传感器网络在农业信息化中的应用研究

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摘要：无线传感器网络是计算机科学与自动化技术研究的一个热点问题，它综合了传感器技术、通信技术与微处理器技术，在当前农业信息化的发展中具有良好的应用前景。无线传感器网络适合温室、田间、动植物生长环境中信息的监测与采集。为农业信息化的有效应用提供信息采集、处理与决策的方案。本文介绍了无线传感器网络技术的网络结构、传感器节点构成与通信协议，分析了无线传感器网络在温室种植、农作物生长环境监测、节水滴灌技术、生物习性监测等方面的应用，探讨了无线传感器网络在农业信息化中的应用特点和研究进展。

关键词：农业信息化 无线传感器网络 传感器节点 监测 传送

中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0085-02

1、引言

农业信息化是指通过采用通讯技术、网络技术和信息技术等为主要手段的高新技术，能够更加充分有效的开发和利用农业信息资源，对田间管理采取变异的手段。而传统的农业作业模式下，都是采用人工均一的施肥时间与施肥量。李民赞[1]提出了按照传统均一的田间作业方式存在几种弊害：第一，浪费资源；第二，这些过量施用的农药、肥料会流入地表水和地下水，引起环境污染。第三，所有操作均需要机器来完成。将无线传感器网络引入到精细农业的生产管理中，有效地利用了无线传感器网络的大范围、实时、连续性强的特点，高效获取农田信息，及时解决农业发展中存在的重大问题。

2、无线传感器网络技术

2.1　网络结构

无线传感器网络系统由传感器节点、汇聚节点、传播介质及用户接收装置所组成。传感器节点通过人工部署或者飞行器撒播等方式撒落在监测区域内，节点具有独立路由的功能，将传感器采集到的数据通过自组多跳路由无线方式将数据传送到汇聚节点，汇聚节点通过数据处理后将探测到的有用数据传送给用户，数据传送过程为汇聚节点通过无线方式与基站或互联网PC相相连，实现任务管理节点与传感器之间的通信。

2.2　传感器节点构成

传感器节点作为无线传感器网络的基本构成单元，其典型结构如图2所示，主要包含数据采集单元（传感器及数模转换器）、数据处理单元（微处理器及存储器）、通信单元（无线发送模块、无线接收模块）、供电单元（电源、转换器）4部分。

数据采集单元中的传感器具有感知、获取外界信息的功能，将外界的物理量通过A/D转换器转换成数字信号，数据采集单元具有采集和转换监测区域内信息的功能。数据处理单元控制着整个传感器节点的运行，微处理器负责各个节点的协同工作，负责数据的存储与处理，一般选用嵌入式操作系统。通信模块负责传感器网络的通信，具有无线收发模块，具备自组多跳路由的功能。电源模块负责整个节点的供电，在实际应用中一般要求低功耗、生命周期长。

2.3　通信协议

无线传感器网络通信协议模块主要有ZigBee协议、Wi-Fi协议、蓝牙标准协议、射频识别协议以及红外协议、声波协议等[2]。其中ZigBee协议的最大通信距离达到70m，具有低成本、可靠、高效的优点，主要应用于小规模的控制网络中，成为零星节点短距离无线通信时应用最广泛的通信协议。

3、无线传感器网络在农业信息化中的应用

3.1　在温室种植管理中的应用

利用无线传感器网络组成温室测量控制区，用以测量土壤的光照强度、PH值、温度、湿度等物理量来获得作物生长的信息，使温室中传感器、执行机构标准化、数据化，利用网关实现控制装置的网络化。孙超等[3]提出了在温室环境监测中采用小规模网络的分簇自适应路由协议LEACH，将接收到的数据进行融合后再发送，减少数据通信量。任丰原等[4]提出了在温室监测中基于CSMA的随机访问比较适合传感器网络，节点采用侦听与睡眠相互交替的无线信道侦听机制，在传感器节点没有任务时，节点能够自动关闭无线通信模块，大大减少能量的消耗。Sourabi　K[5]提出了MAC层用于建立可靠的点对点或点到多点通信链路，能量消耗主要表现在空闲侦听、接收不必要数据和碰撞重传等。郭文川等[6]在西北农林科技大学甜瓜示范基地采用ZigBee通信技术、ARM9微处理器、WinCE5.0嵌入式系统对基于无线传感器网络的温室环境信息的嵌入式监测系统进行了测试，传感器节点每隔10min进行一次采样，能够对温室环境因子进行实时采集、传输、监测，完成数据采集、发送之后，自动进入休眠状态，直至下一个采样周期唤醒。

3.2　在农作物生长环境监测中的应用

通过在农作物生长环境中投放大量的微型传感器节点，由传感器节点将接收到的农田环境因子通过“多跳”路由方式将融合后得到的数据传送到汇聚节点，实现对农作物生长环境区域内感知对象的信息采集、量化、处理融合和传输应用。相比于传统的环境监测手段，具有快速感知、降低成本、网络感知、提高抗毁性的优势。Intel公司率先于2002年在俄勒冈州建立了无线葡萄园的环境监测系统，将传感器节点分布于葡萄园中，定时监测葡萄园中土壤的温度、湿度以及其他影响葡萄生长的农业信息，对葡萄的增收具有重要指导作用。李海建等[7]提出了在农田信息采集中对LEACH算法的改进，一为使每轮的收发时间间隔变短；二为当簇头被破坏后，备用簇头被唤醒，接收非簇头的数据包，发送数据到基站。通过采集地下水含量、土壤温度、空气的湿度及空气温度信息，再由改进LEACH路由协议将该数据传送给汇聚节点并将数据传送到簇头，并且一个采样周期结束后，各传感器节点立即进入休眠状态，以节约能量，直到下一个周期到来时再激活。

3.3　在节水滴管技术中的应用

目前我国的农业滴管管理仍然存在很多问题，大部分依靠人工经验进行操作，灌溉节水率低下、随意性较大。利用大量土壤墒情无线传感器构成的节水滴灌无线传感器网络对土壤进行实时监测并向灌溉控制设备发送控制信息，可将田间控制信息通过网关发送至互联网，实现精细农业中节水灌溉的准确性、智能性与灵活性。典型案例为：巴西监测1500公顷大面积农田灌溉的基于无线传感器网络的中央远程控制与监测系统。张荣标等[8]提出了无线传感器网络在节水滴管技术的研究，设计了将采集土壤湿度、土壤温度、空气湿度和空气温度的传感器构成无线网络的节点，将农田分成多个区域，每个区域的节点自成一蔟，节点采用无需测距的自身定位算法确定位置，通信上采用一种功耗自适用性聚类路由算法PEGASIS路由协议，网络上的节点可根据位置选择其所在的蔟，蔟头按照位置关系优化出汇聚节点的最佳链路。每个节点都能以最小功率发送数据分组，并完成必要的数据融合，大大减小数据流量，实现网络功耗的最小化。何龙等[9]提出了由土壤和环境信息无线传感器网络检测系统和滴灌自动控制系统所组成的精准滴灌技术研究，实现快速检测土壤的水分、温度、养分信息和环境的温度、湿度、光照强度等，通过计算机对传感器的信号进行预处理，利用上位机控制程序计算出相应的灌溉数据，自动控制电磁感应阀的开关，实现对作物生长需求的定点定量精准灌水，实现了节水、增产、生态的目标。

3.4　在畜禽养殖中的应用

利用大范围、实时、连续的无线传感器网络监测系统对畜牧业、家禽养殖上的个体或者群体进行疾病监测，能够及时发现、预防和有效控制其存在的健康问题，提高畜禽养殖的产量与质量。广东温氏集团与华南农业大学合作的定位饲养模式下母猪监测及饲喂智能化系统；农业生产中为研究动物疫情溯源的基于无线传感器网络的动物运输与运动实时跟踪监测系统[10]；澳大利亚的CSRIOICTCenter把无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等）和外界环境进行监测，研制成完善的草地放牧与动物模型[11]；Nadim等[12]提出采用无线旋转角度传感器与运动速度传感器测量奶牛颈部旋转和运动状况，并利用分类树区分牛的病类症状。Steve　Warren[13]设计了安装在牛身上的无线心电图传感器来自动测量牛的心率，用以监测牛的心率状态。Wark等[14]讨论应用无线传感器节点部署在环境敏感地区，构建虚拟栏栅，用以监控奶牛的行为。尹令，刘财兴，洪添胜等[15]设计的通过无线传感器网络节点收集奶牛的脉搏、体温、呼吸频率，运动加速度等信息，用以监测奶牛的健康和状态，设计了封装小、功耗低、采集频率高、抗干扰的节点，采用K-均值聚类算法对奶牛的体态数据进行融合处理，将Sink网关嵌入GPRS模块，将接收到的节点信息通过GPRS网络传送回监控中心，以此建立对奶牛健康的长期监测。

4、结语

信息化技术要求无线传感器的发展更应该朝着高新技术、低成本、高效率设备的方向入手。目前无线传感器网络在农业信息化中的应用仍存在很多关键性的技术难题需要解决，如成本降低、能耗优化、协议创新等，其应该突破单一监测的局限，与现代控制技术相结合，形成完整的监测控制系统。将无线传感器网络应用到农业生产当中，有效的将农业信息与互联网互联互通，突破分布式异构资源的瓶颈，有效的实现农业信息资源的共享。无线传感器网络技术的农业应用，对于推进农业信息时代化、普适化与协同化具有重要作用。

参考文献

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