无线传感器网络在农田中的应用

赵遵军

摘要：该文简单地介绍了无线传感器节点和网络的体系结构、特点，并着重从设计传感器网络的基本原则出发，分析了无线传感器网络研究的一些关键问题。重点介绍无线网络在实际生活特别是农田方面的应用，拓宽了其在普通农业生产领域中的应用思路。

关键词：无线传感器网络；传感器节点；农业应用

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)12-2720-03

Application of the Wireless Sensor Networks in Agriculture

ZHAO Zun-jun

（Management and Engineering Department, Yantai Nanshan University, Yantai 265700, China)

Abstract: This article introduced simply the wireless sensor node and the network architecture, the characteristic, and embarked emphati cally from the design sensor networks basic principle, have analyzed wireless sensor network research some key questions. Introduced with emphasis it in agriculture various application, expands the mentality for the wireless sensor network in the agricultural application, will strive for soon the wireless sensor network widespread investment to the agricultural application domain.

Key words: wireless sensor networks; sensor Node; Application in agriculture

当今社会迅速发展，传统的局域网无法满足如今“移动”的世界，无线网络由此出现并快速发展，其快速的数据传输能力和灵活多变的组网方式日益发挥重要的作用。无线传感网络[1]是无线网络的一种，它综合了无线通信技术、传感器技术、信号处理技术以及计算机网络技术，能够协作地实时感知、监测和收集监测对象的数据信息。

农作物的生长受到如光照、温度、湿度、土壤的酸碱度和施肥状况等自然条件的影响，受到病虫害等突发自然灾害的影响；农作物处在野外荒地，要人力实时的采集影响农作物生长的自然条件是比较困难的，也比较复杂。利用传感器节点组成的无线网络可以方便快捷的采集农田信息，并把数据信息迅速的传输到管理中心；这种无线传感器网络结构灵活、安装方便、性价比高、数据传输距离远，可以在农田的信息采集、农田的节水灌溉、温室环境控制和森林防火等各个方面广泛的应用。

1无线传感器网络[2]

无线传感器网络系统的体系结构如图1所示，在监测区域内部或附近密集布设大量传感器节点，它们以自组织的方式构成一个无线网络。

图1传感器网络[3]

传感器节点是无线传感器网络的基本组成元素，具有采集信息，处理信息、路由转发和无线传输数据等功能。传感器节点结构如图2所示。这些传感器节点通过自足网络协议连接并相互通信，同时节点兼有路由和数据转发等功能。在网络中节点即是信息采集者，也是数据中转站，通过无线网络的自组织方式和路由跳转方式，将采集到的监测区域的数据信息通过汇聚节点到达管理节点。

传感器网络具有传统的局域网的网络拓扑结构，根据监测环境条件、传输速率、传输距离的要求采用不同的网络拓扑结构。传感器节点具有采集信息，并具有一定的数据处理、数据存储能力，并具有较强的容错能力和抗毁能力以及可重用性。在农田环境中，可以部署大量的节点组成无线网络，对农作物有影响的信息进行采集，对我们需要的环境信息进行不间断的大量的数据收集。例如：监测土壤环境的酸碱度、水分含量，研究阳光、温度对农作物的影响，观察农作物的生长规律等。

2农田监测环境中的无线传感器网络的应用

2.1无线传感器网络的特点

无线传感器网络主要具有以下优点[5]:

1)精确度高。传感器节点部署在监测环境中与被监测物体近距离接触，采集的环境信息精确度高。

2)网络简单。传感器网络的布局简单，随机布设，一次成功，无需移动。

3)容错能力和抗毁能力较强。传感器网络节点数量多，分布密集，多节点协作。

4)网络可重用性强。节点可以方便的移动，监测区域可以更换，网络采用无线自组织，可以避免线路铺设的麻烦，安装方便。

2.2农田无线传感器网络检测系统体系结构

图3农业无线传感器网络环境监控系统结构示意图

在网络中通过各个传感器节点采集包括空气温度、土壤的肥沃程度、湿度、土壤湿度、降水量、病虫害等基本信息，综合采处理数据，发现问题，并且准确地定位问题发生的位置。其系统结构如图3所示。网络结构是采用层次模型。从底层到上层依次的作用是：在最底层是传感器节点，部署在监测环境中的，采集监测区域的各种数据信息，向上为节点网络、基站，对数据信息进行整理、传输，最终通过汇聚节点连接到互联网，管理控制中心在最高层，是对数据进行处理分析，做出各种指令。这样传统耕作农业将逐渐被现代化农业取代，人力采集农田信息、人力灌溉、人力分析土壤成分将被自动化、网络化、智能化的生产模式所取代。现在这种无线传感器网络技术能完成传统网络无法完成的任务，如今在社会的各个方面都有广泛的应用，例如对人体有害的化工领域的监控、对无人环境区的监测、深井矿藏的勘测等。

2.3在农田监测中应用

传统农业我们使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力勘测土质状况，跟踪温度水分，监测农作物的生长周期，这样耗费大量人力财力，而且还会出现信息的延误现象，影响对农作物管理的及时决断。采用了传感器网络后，可以在检测环境中精确的获取农作物环境信息和农作物的生长状况的数据，并及时将数据传送到基点；基点对这些数据信息进行分析处理，将数据传送给管理中心。管理中心计算机上建有一个管理数据库，存放农业专家长期研究的成果和积累的经验的农田数据信息，例如：农田天气参数、土壤信息、农作物每个生长期的参数等数据。有了传感器节点传递过来的数据信息，管理者就可以做出相应的处理，实时的作出调整，例如是否开放闸门放水进行灌溉，是否施肥以促生长，是否喷洒农药保持健康生长，是否调剂温度来调节农作物的生长周期等。这样可以减少人力资源的耗费、减少对农田环境和农作物的影响，提高农田经济效益。传统农业将逐渐被现在化农业取代，人力采集农田信息、人力灌溉、人力分析土壤成分将被自动化、网络化、智能化的生产模式所取代，更多使用远程控制的设备来控制农田设施。

无线传感器网络可以精度控制，传感器节点监控温室的土壤的条件、室内温度、气压、光照等，为温室精准调控提供科学依据。在节水灌溉，农田、果园大规模生产、果蔬保鲜、粮食的存储以及养殖等行业都可以应用无线传感器网络。

3无线传感器监测网络的的构建以及关键技术

在构建无线传感器网络中，网络节点功能各不相同。各个节点功能如图4所示。

终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，终端节点安装不同的传感器可以在检测环境中分别对土质信息的采集和水分温度信息的获取等。终端节点与汇聚节点按照星型网络字组网络与传感器联络，汇聚节点是传感器节点功能上的扩展，扩展路由及网络的功能，允许更多传感节点接入网络。

基站节点是网络关键部件，不仅负责把数据向上层传输，还负责网络启动、网络配置、网络维护、节点维护、网络绑定等，因此需要大的存储空间和强的计算能力。

无线传感器网络要对所监测的环境进行信息采集，把采集到的数据进行处理并转发到管理中心。这就需要对传感器节点进行精确定位、把采集的数据进行确切融合，用户对远程设备控制等。

3.1定位技术

节点定位[7]是无线传感器网络的关键，通过节点和基站之间的信号参数来确定节点的具体位置(如监测到农作物遭受病虫害的侵袭就需要知道其确切的位置)。目前典型的节点定位技术有：场强定位法，根据节点的接受信号的功率测算节点和基站的距离；基于信号传播时间( TOA或TDOA )的定位法，根据节点传输信号到基站的信号传输时间来确定节点和基站的距离等。这还仅仅是一些初步的研究成果，要优化无线传感器网络还需要很多工作要做[10]，基于现有的定位技术，研究者开发出了一系列的实用的算法，例如接收信号指纹算法，利用环境的地理位置，将接受的数据信号与数据库的信息比较得出实际的位置。泰勒算法，当有4个以上的基站进行定位时，利用信号传播时间的值取得传感节点的定位。

3.2数据融合技术

无线传感器网络是由许多传感器节点构成的，这些节点共同完成环境监测、采集信息的任务。但是各个节点采集到的数据不能直接传输到汇聚节点，需要通过基站网关的汇集，这就是需要数据融合技术，在基站网关将数据信息进行分析处理，整理出更高效、更符合用户需求的数据数据传输到管理中心。分布式的滤波算法是最热点的数据融合技术。Xi-ao等人提出的分布式一致滤波方法，R.O.Saber等人提出的动态分布一致估计方法等也是在实际中得到应用。

3.3远程任务控制

远程控制是通过远程控制的方法对整个网络进行调控，包括监测人员向基站发出任务指令，监控传感器节点的工作状态，调整节点的工作任务，进而更好地完成对环境信息采集和获取以及有效传输。分布式网络配置协议(CCP)，通过节点的三种状态（休眠、活动、监听）来采集相邻节点的信息[8]对网络进行控制。最坏最佳覆盖算法[5]，根据最小距离最大距离两个极限情况，得到临界的网络路径对网络进行监测。

与有线网络不同,无线传感器网络是多种技术的融合与构建，它在各个领域都有应用，例如农业生产、化工业、环境监测矿工开采等行业。要实现定位监测的功能,除了上述关键技术外,还涉及时间同步、定位算法、数据传输、安全技术、数据管理等方面的技术，虽然现在提出了一些协议，在不同的行业有各自的优点，但是也存在着不足方面。随着网络技术，计算机技术，通信技术的发展，也迫切需要更加先进无线技术算法和协议的发展。

4结束语

无线网络融合了多方面的技术，在多个领域展示了它的强大优势，其相关应用已经渗透到农业、化工、环境等多个领域。该文利用无线传感器网络，将独立、分散的传感器节点相连接，勾勒出了一个农田环境监测系统，系统根据传感器节点不同的选择，可以实现空气温度、湿度、土壤的肥沃程度、病虫害等生态环境的自动监测，完成环境指数信息的采集、分析、显示、存档、汇总和报表打印，精确地记录和掌握监控农田环境状况，预防和及时发现病虫害和水的灌溉，完成农业环境监测和调查统计等各类农业环境信息的收集、分析评价，为农业决策管理提供技术支持[8]。

参考文献：

[1]颜振亚,郑宝玉.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005.15.

[2]艾莉.无线传感器网络及其应用概述[J].技术与市场,2009.4.

[3]蔡镔.农业高校无线传感器网络课程建设初探[J].科技信息,2011.7.

[4]颜振亚.无线传感器网络[J].计算机工程与应用,2005.15.

[5]董付国.无线传感器网络在学校实验楼火灾报警中的应用[J].福建电脑,2007.7.

[6]张育琪.基于ZigBee技术的无线数据采集系统设计[J].西安电子科技大学,2010.

[7]桑海泉.无线传感网络在安全生产中的应用[J].中国安全生产科学技术,2007.5.

[8]龙慧.无线传感器网络发展现状研究[J].单片机与嵌入式系统应用,2011.11.

[9]董付国.无线传感器网络在学校实验楼火灾报警中的应用[J].福建电脑,2007.7.

[10]高剑.无线传感器网络节点自定位算法研究[M].南京:南京航空航天大学,2008.