基于认知无线电的农业物联网架构的研究

杜 红，富 爽，许 杰，初洪娜

(1. 黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319；2. 大庆油田信息技术公司 北京分公司，北京 100043)

基于认知无线电的农业物联网架构的研究

杜 红1，富 爽1，许 杰1，初洪娜2

(1. 黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319；2. 大庆油田信息技术公司 北京分公司，北京 100043)

物联网是当今研究的一个热门技术，我国作为农业大国，在现代化大农业的发展中，物联网技术在智慧农业中得到很好的应用。认知无线电是一类智能无线通信技术，能够通过对周边环境的感知而发现空闲的可用频谱资源，从而提高频谱利用率。将农业物联网与认知无线电技术相结合，能够缓解农业物联网所面临的频谱资源紧张问题。分析了物联网频谱研究涉及的方面和频谱管理的现状，将认知无线电频谱感知技术应用到农业物联网环境中，研究基于认知的农业物联网的网络架构，提出了认知无线电技术在农业物联网中应用带来的挑战。

农业物联网；认知无线电；网络架构；物物通信；频谱资源

物联网(Internet of Things， IOT)是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第3次浪潮。物联网的出现很快得到极大的关注，成为当前信息技术领域的研究热门。在物联网中，物与物之间(Machine-to-Machine， M2M)的通信不需要或只需要较小的人为参与就可实现。不同类型的设备(比如传感器)能够相互通信并交流数据信息，这种类型的物物通信被认为是未来通信领域中关键的一部分。随着物联网技术的不断发展，物联网已经得到了广泛的应用，比如在智能家居、工业、农业、智慧城市、医疗、运输、电网等方面。我国作为农业大国，物联网在现代农业中的应用也越来越广泛，通过使用无线传感器网络可以获取农作物生长环境和信息，从而通过远程控制监测到农田信息。农业物联网技术的应用可以更好地控制农作物的生长环境，使之能够更好地适应作物的生长。物联网在农业的应用，是农业现代化发展的重要标志[1-2]。

在实际应用过程中，物联网技术面临着许多挑战，需要无线通信技术感知周围环境，实时监测并汇报数据信息，这将会导致频谱资源面临紧缺不足的问题[3]。为了解决这些问题，提出一种新的通信方式，称为认知物联网。这种网络是将认知无线电(Cognitive Radio)的频谱感知等技术应用到物联网中，在一定程度上解决物联网对频谱资源需求紧张的问题。

在认知物联网中，认知无线电能够使物体感知周围的环境并利用尚未被利用的频谱资源，在相同的频率范围内，通常存在两种系统：授权主系统和次要的物物通信系统。授权主系统是指使用合法频谱的授权系统，对分配的频谱资源具有绝对的使用权。次要的物物通信系统是指未被授权的具有认知功能的物物通信系统，可以机会式的接入授权主系统不用的空闲频谱资源。

目前，国内外对具有认知功能的物联网的研究文献较少，尤其是将认知无线电的频谱感知技术与农业物联网紧密结合，还没有太多的理论研究。为此，本文的主要研究工作就是进一步深入研究频谱感知技术在农业物联网中的使用，以及基于认知农业物联网的系统架构，最后讨论了基于认知的农业物联网还需要解决的几个方面，为以后的进一步研究提供借鉴。

1 农业物联网的频谱资源使用分析

在农业物联网中，如图1所示，主要分为3层网络结构：感知层、传感层和应用层。具体地，感知层包括温度传感器、土壤湿度传感器、视频摄像传感器和土壤成份传感器等；传输层主要利用3G/4G、蓝牙和WiFi等技术实现实时监测的数据信息的传递与汇聚；应用层主要是专家通过视频监控系统实时监测农作物生成情况，分析处理相关数据，进行远程系统控制操作，农作物种植人员也可通过远程移动终端实时获取相关数据[2]。

图1 农业物联网3层网络结构

在农业物联网中，感知层与传输层主要通过无线频谱资源实现实时监测与信息传输，在信息传输中，视频传输要求是最高的，也是占用频谱最多的业务。

农业物联网中感知层的关键技术是射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)，RFID通过无线连接进入物联网，国际上RFID空中接口常用的超高频(UHF)频段频谱资源大多选择在ISM频段和移动通信800/900 MHz频段[3]，如表1所示。ISM频段是免授权的公用频段，在该频段存在大量的通信业务，不同系统间的干扰严重是物联网使用ISM频带的主要问题，这将在一定程度上影响物联网的传输性能和监测数据的准确性。

表1 物联网中RFID对频谱的使用频段

频段类别具体频段ISM频段43392MHz±870kHz869525MHz±125kHz915MHz±13MHz移动通信频段24125GHz±125MHz840～845MHz920～925MHz

以物联网技术当前的发展程度，将有越来越多的应用场景使用物联网，将会产生越来越多的智能终端，实现物物通信，甚至会超过目前人与人之间的通信互联。因此，频谱资源的短缺将成为物联网发展难以克服的瓶颈[4-7]。

以农业物联网的应用为例，一个农作物生长环境中布设几十个甚至上百个传感器节点，这些传感器需要通过无线方式连接，同时，传感器节点还需要将采集到的数据信息上报到汇聚节点，并根据远程中央控制系统进行相应数据处理操作。这些过程无一不需要大量的频谱资源得以实现。

农业物联网中有小流量的物物通信，比如对农作物土壤温湿度的感知，实时上报当前种植生长环境的信息数据，也有占用高带宽的视频监控业务，且对图像的连续性和实时性有较高要求，这就对所使用的频谱要求较高，较窄的频带和存在一定系统间干扰的频段就无法满足视频监控业务。

2 认知无线电在农业物联网应用可行性分析

前面详细分析了物联网应用过程中对频谱资源的需求，鉴于此因素，考虑将认知无线电技术应用在农业物联网中，认知无线电技术的出现就是为了解决当前部分频谱资源紧缺部分频谱资源空闲浪费的矛盾。除了频谱资源因素外，还有以下几个方面是将认知无线电技术与物联网中的物物通信结合的原因。

2.1 海量智能终端进行物物通信

消除频谱拥塞是将认知无线电用于物联网中物物通信的最主要原因。在农业物联网中，物物通信的主要挑战是大量智能终端的急剧增加，大量的无线传感器节点需要分布在整个农田环境中，实现农作物生长的实时监控和信息的传递，对频谱的需求量也急剧增加，而认知无线电利用频谱资源可以支持大规模数据传输。

2.2 节约能源问题

智能无线设备是一种低成本、低功耗的装置，目的是为了长时间工作而不需要更换电池。在这种情况下，对于物联网的物物通信来说，通过优化节点的传感和处理，从而节约能源是非常重要的。而认知无线电是一种绿色节能的技术。在次要网络中具有认知功能的智能设备能够基于周围环境自适应地调整其传输功率，同时保证对授权网络并不会造成有害的干扰。这种内在的感知和适应性功能使认知无线电的成为未来无线电系统的关键技术。

2.3 干扰问题

在物物通信中存在越来越密集的干扰，包括在ISM频段内免授权系统间的内部无线信号干扰，以及外部电子设备的电磁干扰。物联网中的物物通信会受这样的共存干扰而导致性能衰退。通过利用认知无线电重配置功能，智能无线设备能够快速切换到不同的无线模式，并因此可大大减少甚至避免与其他设备或外部无线环境的干扰。

3 认知农业物联网系统结构

目前，关于农业物联网应用的发展项目有很多：土壤成份的分析监测，可以及时对农作物进行灌溉和温度的控制；农业大棚温室监控，可以连续监测土壤湿度数据；农作物种植人员可以通过移动智能终端随时查看农作物生长信息数据，根据专家分析数据给出的建议，用移动终端对施肥等控制。

图2显示了认知农业物联网的网络架构，整个网络由两部分构成：授权网络和带有认知功能的农业物联网。在认知农业物联网中，认知节点与授权用户共存，并且机会式接入可用的频谱资源。

图2 基于认知的农业物联网架构图

授权网络是指现存的对无线频谱有使用资格的网络，比如移动通信中获得频谱牌照使用权的3G和4G网络运营商。尽管认知网络中认知节点通过频谱感知可以机会式的利用空闲的频谱资源，但授权网络对频谱资源具有绝对的优先使用权。在授权网络中，授权用户是指按一定规则允许接入的用户，这些用户通常付费给运营商，从而享受相应的移动业务。比如，蜂窝移动网络中的移动终端用户，或者电视广播网络中的电视用户。授权系统的基站主要是指授权网络中的中心控制节点。

认知农业物联网是指具有认知无线电功能的农业物联网，它是将认知无线电的频谱感知技术与农业物联网中感知层与传输层相结合的网络。认知农业物联网只允许以机会式的方式接入空闲的频谱资源，不能对授权网络造成有害的干扰。

图2中认知农业物联网是认知无线网络与农业物联网的结合。认知节点通过频谱感知功能感知当前无线环境中是否存在空闲的可用频谱资源，将频谱感知结果报告给认知基站，认知基站通过一定的信息融合判决准则，做出最终的当前频谱资源使用情况，并将空闲的频谱资源发送给农业物联网中的汇聚基站。在农作物种植区域内，有各种传感器将土壤的温湿度等信息发送给汇聚节点，还有摄像机实时监测当前农作物生长环境汇报给汇聚节点，汇聚节点将数据发送到数据存储服务器中，农作物专家远程对数据的分析和处理，农作物种植人员也可以通过远程智能终端实时获取农作物生长情况，比如是否需要进行灌溉等。

基于对农业物联网中感知层和传输层需要大量频谱资源的分析，感知层中视频摄像传感器和土壤温湿度传感器等设备需要频谱资源完成实时监测农作物生成情况，传输层借助3G/4G、蓝牙或WiFi技术实现信息数据的传递汇报，而无线通信技术所使用的频谱资源出现拥挤情况。因此，基于认知的农业物联网架构一定程度上可以解决频谱资源紧缺的问题。

4 认知无线电在农业物联网应用挑战

随着农业物联网项目的不断应用，有限的频谱资源在感知层与传输层中变得越来越匮乏，认知无线电技术的出现可以解决频谱资源浪费的问题，利用频谱感知技术发现可利用的空闲频谱资源。然而，将认知无线电技术与农业物联网结合，在应用中也会面临着诸多问题。

认知无线电是近些年新兴的技术，对其的研究还处于理论研究阶段，尚没有实际应用的研究。物联网虽然已经在很多行业得以应用，但目前国内外很少有将认知无线电技术应用到物联网中的研究。为此，认知农业物联网实现最大的挑战不是成本和效率等问题，而是如何进行较好的结合。图2给出了认知农业物联网架构图，将具有认知功能的节点加入农业物联网环境中。这种方式虽然具有可行性，但需要在现有的农业物联网中布置新的认知无线网络。

另一种方案就是不必铺设新的认知网络，需要在农业物联网中的传感器节点上增加认知功能，传感器具有频谱感知功能，自身感知周围无线环境，发现空闲频谱资源加以利用。这种情况，需要对现有的传感器硬件设备和软件协议加以修改。具有认知功能的智能模块结构图如图3所示。

图3 具有认知功能的智能设备模块结构

传统的智能模块在媒介访问控制模块中能够侦听信道状态，并在信道空闲可传输数据。图3所示的具有认知功能的智能模块在物理层和数据链路层中包括了频谱感知模块、历史和预测模块、频谱分析模块、频谱决策模块，在网络层中包括了频谱移动模块、参数重配置模块和路由选择模块。

具有认知功能的智能设备通过频谱感知技术发现有用的空闲频谱资源，以供给农业物联网中农作物生长情况监测所需。为了更准确地利用空闲频谱资源，在进行频谱分析之前，可进一步结合历史和预测模块的数据，根据历史感知频谱资源的使用情况以及预测，实现频谱资源感知的精确性。最终根据农业物联网中所需要进行的业务，选择可用的频谱资源。

5 小结

目前，物联网对频谱资源的需求越来越紧张，随着物联网的应用不断扩大，解决频谱资源短缺的瓶颈制约，已经成为影响物联网发展亟待解决的问题。本文研究了基于认知的农业物联网架构，通过对农业物联网对频谱资源需求的分析，将认知无线电技术应用于物物通信中，能够在一定程度上为当前物联网频谱资源紧张提供建议。尽管基于认知的物联网在农业中的应用还面临着巨大的挑战，随着各种技术的不断发展，

农业智能信息化会距离人们越来越近。

[1] 葛文杰，赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报，2014，45(7)：222-230.

[2] 戴起伟，曹静，凡燕，等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报，2012，28(5)：1173-1180.

[3] 姚海鹏，张智江，刘韵洁.异构架构下物联网频谱规划研究[J].电信技术，2012(5)：81-85.

[4] 丁么明，夏洪星.认知无线电在农业物联网中的应用[J].数学的实践与认识，2013，43(3)：103-110.

[5] 覃毅芳，沈强，林涛，等.认知网络管理在物联网中的应用(英文)[J].中国通信，2011，8(1)：1-7.

[6] WU Qihui，DING Guoru，XU Yuhua，et al. Cognitive internet of things： a new paradigm beyond connection[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2014， 1(2)：129-143.

[7] MUNAM A S，ZHANG S J， CARSTEN M. Cognitive radio networks for internet of things： applications， challenges and future[C]//Proc. the 19th International Conference on Automation & Computing. London，UK：[s.n.]，2013： 1-6.

责任编辑：时 雯

Research on Network Infrastructure for Internet of Things in Agriculture Based on Cognitive Radio

DU Hong1，FU Shuang1，XU Jie1，CHU Hongna2

(1. College of information technology，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Heilongjiang Daqing 163319，China； 2. Beijing Branch， Daqing Oilfield Information Technology Company， Beijing 100043，China)

Internet of Things (IOT) becomes a hot technology for the research， as an agricultural country， IOT technology is widely used in intelligent agriculture for the development of modern agriculture. Cognitive radio is a kind of intelligent wireless communication technology， which can sense and find the available idle spectrum resources through the surrounding environment， so as to improve the spectrum utilization rate. The combination of the IOT in Agricultural and cognitive radio technology can alleviate the shortage of spectrum resources of IOT are analyzed in agricultural. The spectrum management and spectrum research in IOT， spectrum sensing technology of the cognitive radio is applied to IOT in agricultural environment， the network architecture of IOT in agricultural based on cognitive radio is studied， the application challenge for the cognitive radio technology in agriculture IOT is analyzed.

Internet of things in agriculture； cognitive radio； networking infrastructure； machine-to-machine communication； spectrum resource

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541583)；黑龙江省青年科学基金项目(QC2015070)；黑龙江八一农垦大学引进博士科研启动基金课题(XYB2013-23)

TN929

A

10.16280/j.videoe.2015.20.008

2015-05-15

【本文献信息】杜红，富爽，许杰，等.基于认知无线电的农业物联网架构的研究[J].电视技术,2015，39(20).