物联网在农业病虫灾害中的应用

赵静, 王 岩, 杨淼, 谭秀兰

(①成都大学电子信息工程学院,四川成都,610106;②黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江 哈尔滨,150050;③西南石油大学电子信息工程学院,四川 成都,610500)

0 引言

自物联网的概念一提出就受到国内外各界的高度关注,此后研究者们围绕这个主题,展开研究。随着全球经济一体化和信息技术的发展,以及政府对于物联网研究和开发的高度重视,物联网已近在全世界已经掀起了科技和经济的热潮,其应用也逐步开始走向市场。

物联网具有广泛的应用前景,在军事国防、城市管理、家庭医疗、电子商务、智能交通、精准农业、病虫害监测和其他领域方面具有很大的优势[1-2]农作物病虫害是严重危害农业生产的自然灾害之一,发生严重时,可以造成农作物大幅度减产和使农产品品质变劣,影响国民经济的快速发展和人民生活质量及身体健康水平的提高。带有危险性病虫害的农产品既不能出口出境,也不能在国内市场销售,制约了地方经济的发展,甚至直接影响中国的粮食和食品安全。目前病虫种类繁多,且同一类危害性强的害虫可能严重影响多种农作物生产。就该种情况而言,对农业害虫的监测与防治将是一个重点研究的课题,由于农业病虫灾害信息监测的研究还处于初步阶段,具体的实际应用还不够成熟,这项研究将是一个极大的挑战。然而,最新提出的物联网的农业上的应用,通过布置具有传感功能的监测节点的监测系统,将能很好的对农业中病虫害进行监测。

1 物联网的概述

物联网就是通过无线射频识别(RFID,Radio Frequency Identification)、传感器、全球定位系统(GPS,Global Positioning System)等各种设备,通过无线网络进行信息交换和通信,实现智能化识别、定位、监控和管理的巨大网络。物联网在实现物与物之间的通信时,融合了传感器、计算机、通信网络、半导体等技术。从产业和用户角度体等多种技术看,其核心是“物物互联”,即从利用先进的传感技术、网络通信来说叫物联网,从技术支撑角度来说,它又叫传感网。

物联网要实现物物通信,就必须要对物体上信息进行准确实时的监测、采集并且传输终端。而对于信息的感知,可以采用两种方法：①利用 RFID射频技术在感知对象上贴上标签,以对信息进行识别和采集,并将信息传送到RFID系统中的计算机信息管理系统;②将传感器节点嵌入到需要关注和采集信息的地点或物体中,通过具有传感、信号处理的无线信息采集节点、汇聚节点将数据传到网关,再借助 Intemet、移动通信网络、卫星等与监控中心通信。

2 物联网在农业监测中的结构体系

物联网在农业病虫灾害信息监测系统中,基于农业害虫监测这个特殊的系统,主要采用的是上述提到的第二种方法来实现对虫害信息的监测和采集。那么节点的设计和选择将是整个监测系统的关键之一。从农业病虫害监测信息系统的整体结构上看,其关键主要分为四大类：网络感知节点的设计、监测信息的采集、传感技术和无线通信技术、数据智能化处理。

该系统由传感信息节点、通信系统、互联网、信息服务终端以及监控软硬件系统构成,体系结构[3]如图 1所示。

图 1 系统的结构框架

2.1 无线传感信息节点结构及能耗特性

基于农业病虫害监测无线传感信息节点是整个监测网络中的最重要的组成部分,由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块以及电源模块四部分组成,实现数据的采集、处理和传输。

每一个传感信息节点的各个模块能耗特性各不相同,其中无线通信模块能耗最多。由于该节点主要是采用能量有效的电池供电,且节点数目多、分布广,不能够通过更换电池的方式来增加网络的寿命。因此,在搭建整个网络系统时,首要考虑的是节点的能耗,采取优化的节能策略。

为了降低各个传感节点的能耗,可以选用两种途径：一是在设计该系统的节点时,选用优化了结构的低能耗的无线通信模块,以提高网络的生命周期。二是采用低能耗的动态功率管理技术(DPM,Dynamic Power Management)和动态电压调节技术(DVS,Dynamic Voltage Scaling)[4],这两种能量管理与调节技术可以有效的降低空闲节点的处理器和各组件能耗。

2.2 系统基本的网络构架

针对所研究的农业病虫灾害这个特殊体系,提出了一种基于传感器技术、嵌入式计算机技术 GPS技术、GPRS技术等技术的监测系统。该系统主要分为三个网络层：监测区信息采集终端即网络感知层、监测数据传输网络层、数据终端处理层组成。

网络感知层：传感信息节点分布在被监测区域的每个角落,能够通过自组织方式构成网络。传感节点定时的对监测区域进行一次有害病虫数量的检查,并将采集到的信息在节点内进行初步处理以后,沿着其他节点逐跳传送到汇聚节点,再通过汇聚节点通过外部网络将数据传送到网关。

监测数据传输网络层：该传输层功能是将汇聚节点传输来的信息,在通过无处不在的通信网络,即 Internet、卫星、移动通信网等接入到物联通信网上去,并结合合理有效的路由协议和网络安全协议,将数据安全可靠的传输到控制中心。

数据终端处理层：它是无线通信网络层传输信息的终端,即计算机系统。该系统的监测中心将收集到的数据进行处理以后提供给用户。此时,用户可以借助“云计算”将所获得的数据进行精确的处理和分析农业上病虫害情况,并做出是否予以处理的决定。

2.3 害虫监测技术

由于该系统中的信息节点由多种害虫监测传感器组成,那么其监测技术将与节点息息相关。传统害虫监测手段主要是依据昆虫间化学通讯和物理学反应而实现的,应用广泛的是性诱剂和黑光灯。但这存在的严重不足时耗时、消耗大量的人力和物力且害虫数据质量差等,为克服这些不足,依据对害虫群密度获取方式,并结合传统的监测技术,采用现代信息技术[5]对不同种类的害虫自动监测和计数。可以采用计算机视觉技术、声音信号技术、传感器技术、雷达技术、遥感技术等。

3 物联网中的安全策略

在整个农业病虫害的监测系统中,一个重要环节之一是数据在传输,因为数据在传输过程中很容易受到攻击、篡改、数据冲突、堵塞、重发等,那么保障数据的安全性和可靠性将是一个核心的问题。基于农业病虫害监测网络安全机制从两个角度[6]进行研究：①从维护路由安全的角度出发,寻找尽可能安全的路由以保证网络的安全,可以采用两类手段——利用密钥系统建立起来的安全通信环境来交换路由信息和利用冗余路由传递数据包;②是把重点放在安全协议方面,可以使用安全网络加密协议(SNEP,Sensor Network Encryption Protocol)和基于时间的高效的容忍丢包的流认证协议 μTESLA等。

4 监测系统中应注意的问题

究。虽然最后就该监测系统的特殊性,提到了两点注意事项,但是并没有进行深入的研究,然而对数据信息处理的每一过程中,数据的可靠性对于整个系统而言,将是至关重要的,这将是日后研究的重点。

任何一个监测系统要达到真正的实用和普及的目的,需要注意以下问题：

①可靠性：由于农业区域都是范围广大、条件复杂的环境,要对监测区域的害虫进行监测,除了考虑安全的硬件设备以外,另一个关键部分是保证整个系统的可靠运行,以得到可靠数据;

②经济性：就目前农业害虫信息监测现状来看,需要加强对这方面的研究,但是开发和研究也应该考虑整个系统经济性,这样的系统才能被推广。

5 结语

物联网的出现,将为农业信息监测从示范到具体应用的研究搭建一个很好的系统框架。首先对物联网进行了简要的介绍,而后搭建了物联网在农业害虫信息监测这个系统,并重点对系统中各个网络层次功能及特性进行了分析和研

[1]赵静,宋刚,周驰岷,等.无线传感器网络水质监测系统的研究与应用[J].通信技术,2008,41(04)：124-126.

[2]王骥,徐国保,沈玉利.基于无线传感器网络的海水检测系统设计[J].通信技术,2008,41(12)：385-387.

[3]林元乖,王龙,吴蒋.ZigBee无线传感器网络在精准农业中的应用[J].琼州学院学报,2009,16(05)：32-34.

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[5]吕昭智,沈佐锐,程登发,等.现代信息技术在害虫种群密度监测中的应用[J].农业工程学报,2005,21(12)：112-114.

[6]李红艳.传感器网络安全研究与分析[J].信息技术与信息化,2006,(06)：44-46.