无线传感器网络在精准农业中的能效分析

单 昕，甘守飞

宿州学院信息工程学院，宿州，234000

1 无线传感器网络在精准农业中的应用

精准农业(Precision Agriculture, PA)是一种管理策略，主要是采用信息技术提高农业的质量和生产，同时减少对环境的影响及资源(能源，水)的浪费，提高农业生产的精细性、精确度，从而改善农业管理[1]。目前精准农业还处于探索的早期阶段，仍然面临着许多亟待解决的关键技术问题。例如，使用化肥、农药可大幅提高粮食产量，但缺乏使用后对土壤肥力和病虫害的科学监测手段，缺乏快速有效的感知技术与设备，导致化肥、农药的盲目使用，不仅造成大量的资源浪费，而且带来严重的土壤和环境污染。由于在实现精准农业中所需应用型传感器品种较多且成本偏高，缺少标准化研究，因此产品尚未实现市场规模效应。当前农用传感器在使用中存在条件多样化、工作环境恶劣、电源供给不足及使用寿命较短等限制性因素，并且农业生产基地远离城市，公用性的信息通信基础设施较差，布置专用通信手段成本高，且存在频谱兼容与干扰问题等。近期研究发现，实现精准农业所存在的诸多问题将会随着无线传感器网络应用和发展而逐步得到解决。

无线传感器网络已被广泛应用于军事、工业、交通、医疗和农业。无线传感器网络应用于农业是实现精准农业、提高粮食作物产量和减轻农民负担的最有利的方法之一。利用无线传感器网络实现精准农业在确保农作物健康成长的前提下，可最大限度地减少农药的使用，有效控制杂草和病虫害，实现高效的绿色精准农业。无线传感器网络可实现在农业生产过程中感知、采集各种信息变化的实时数据，并及时将数据分析与处理结果反馈于用户，实现对精准农业的高效管理[2]。

图1 无线传感网络体系结构示意图

在无线传感器网络技术迅速发展期间，主要使用含传感器节点的电池供电。无线传感网络体系结构如图1所示。电池供电无线传感器网络包含由多个传感器所组成的传感器节点、处理器和射频(RF)模块。传感器节点可通过通信链路无线通信，并经网关通信将其数据转发到基站或协调器节点。通信可收集来自传感器节点内各种传感器从简单(即湿度，压力和温度)到复杂(即定位，跟踪，微型雷达和图像)的信息合并，传送到无线传感器网络，实现无线传感器网络实时监测。因此在整个监测过程中传感器节点具有监测、存储、处理信息的功能，而通信将信息整合后发送到无线传感器网络实施实时监测功能。

无线传感器网络在实现精准农业，提高农业产量的同时，还可用于其他农业的应用，如使用土壤养分数据来预测农作物的健康状况和农产品的质量，通过观察天气条件(如温度和湿度)和土壤湿度，预测灌溉规划。相关传感器节点可添加到现有的无线传感器网络以改善参数农业监控系统并扩展网络。然而，无线传感器网络在农业上的应用也存在一些问题，如确定最佳部署方案、测量周期、路由协议、通信范围、可扩展性和容错性等。传感器节点的分散部署需要长时间的数据收集，通信链路可能因信号衰减而被削弱或丢失。无线传感器网络中的传感器节点由电池供电，限于有限的电池功率，使无线传感器网络存在功耗和延长电池寿命等问题。尽管多年来无线传感器网络的应用在不断地增加，但由于电池制造业发展缓慢，使得无线传感器网络的应用受到限制。

为满足电池功率放大器的要求，解决农田和基站间距离长的问题，可将无人机或无人机与基站连接来建立移动数据连接服务。这种连接允许传感器节点将其数据中继到农田区域内的基站，可起到缓冲无线传感器电池限制的作用。

2 农业无线通信技术

物联网是万物互联的革命，是把所有可以连接的东西连接起来，其中移动蜂窝网络技术的发展在物联网领域发挥着至关重要的作用。窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)是基于当前发展的蜂窝网络LTE功能构建的新型物联网系统。窄带物联网可以共享LTE的频谱而不存在干扰问题，并可使用相同的设备无缝连接到LTE主网络，支持所有的网络设施，如安全性、跟踪、策略、计费和身份验证等功能。窄带物联网具有极低的功耗，可延长电池寿命达10年之久，窄带物联网的设计目标具有低功耗、覆盖面积广、连接点多、成本低等特点[3]。在不久的将来，远距离无线电LoRa、SigFox等窄带物联网技术将因低功耗、长距离传输等优势在农业物联网中发挥着越来越重要的作用。

2.1 远程无线电LoRa协议

LoRa是由LoRa联盟推出的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、连接点容量大的系统。目前LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等[4]。

作为与室内传输有关的低功耗和广域物联网(IoT)通信技术的协议栈， LoRaWAN的基本网络体系结构由LoRa终端设备、LoRa网关和LoRa网络服务器组成。 LoRa终端设备与使用LoRa和LoRaWAN的网关进行通信。 LoRa网关将LoRaWAN原始数据包从终端设备传送到基于回程接口(通常为3G或以太网)的高吞吐量的LoRa网络服务器。因此，LoRa网关充当与LoRa网络服务器的双向通信或协议适配器。在这种情况下LoRa网络服务器负责解码，由LoRa设备传输的数据分组，并且创建将被引导回设备的帧。 LoRa提供一个端到端(M2M)WiFi或与蜂窝技术相匹配的双向解决方案。同时LoRa能将电池或移动设备连接到网络或终端设备，是一种低成本、高效益的方法。在精准农业生产中，使用不同的传感器、微控制器和LoRa无线协议可监测温室内的土壤湿度和温度、空气温度和湿度以及光照强度。 LoRa网关从LoRa节点收集数据以构建星型网络的拓扑结构，并且可在长距离通信范围内以高可扩展性与云服务器进行通信。

2.2 SigFox协议

SigFox是一种超低窄带、长距离、低功耗的无线蜂窝网络，具有低数据速率等特点。这一特点能降低终端传感设备的能耗，提高电池的寿命。从而使该技术适用于物联网或M2M连接方案[5]。

SigFox较低的数据传输量虽然有一定的局限性，但是带来超低成本和更远传输距离的效果，为成本要求较高的公共网络提供较好的解决方案。目前，SigFox已被用于包括智能电表、照明系统、安全和远程监控。 国外SigFox网络应用较多，常用于构建一个地理定位系统，如在夏季将动物定位在高山牧场，用定位系统帮助农民定位放牧的牛。当前，SigFox网络在国内也有较快的普及，2018年我国在成都等十几个城市已经同时开展部署工作。

2.3 ZigBee无线协议

ZigBee协议被认为是精准农业和农业领域的最佳侯选技术之一。由于其低占空比，ZigBee被认为适用于精准农业应用，例如灌溉监测、水质管理以及肥料和农药控制，所有这些应用都需要实时更新信息。为扩展通信距离，基于ZigBee协议技术，采用XBee模块，农业领域中的传感器节点可与路由器或协调器节点在较远的范围(约100米)进行通信。在室内ZigBee的通信距离可能会减少，但所部署的传感器和路由器节点的数量将增加，以覆盖整个监控区域。在温室监测上考虑温室的关键参数(湿度、温度、二氧化碳和太阳辐射)，以确保植物舒适生长。目前ZigBee协议和移动通信系统(GSM/GPRS)技术主要用来监测气候条件和控制温室。

使用ZigBee星型拓扑结构，基于无线传感器网中的人工智能(即模糊逻辑控制器)，采用ZigBee无线协议，通过切换活动状态和睡眠状态降低其功耗。 因此，功耗可被最小化，并且可延长传感器节点的电池寿命。 ZigBee目前应用于智能家居、果园监测、自动化灌溉、温室等监测系统。作为无线传感器网络的通用标准，ZigBee协议由于其低功耗、低成本、自成型特性适于通信范围，而被用于多种农业应用。

2.4 蓝牙无线协议

蓝牙无线协议标准已经用于可移动设备和便携式设备(如笔记本电脑)之间，建立短距离约10米的通信链路。鉴于其在大多数移动设备中的普遍性和可用性，蓝牙通信技术可满足多层次农业需求，例如天气信息、土壤湿度、采用全球定位系统(GPS)进行远程监控。 蓝牙模块采用综合控制方法，根据土壤和气候信息控制温室灌溉系统，以提高田间生产力并节约用水。通过蓝牙无线通信协议实时收集现场信息。相对于传统方法(即计时器控制策略)，使用蓝牙技术的集成控制方法，用水量和电力效率提高了90%。由于其能耗低，广泛的可用性和易用性，智能手机的蓝牙通信技术已用于控制灌溉系统、监测土壤和气候条件以及控制使用化肥和杀虫剂等领域。

2.5 WiFi无线协议

WiFi是目前便携式设备中使用最广泛的无线技术，包括平板电脑、智能手机、笔记本电脑和台式机。WiFi在室内和室外环境中分别具有约20 m到100 m之间的通信距离。在精准农业应用中，WiFi通过Ad hoc网络连接多种类型设备，从而扩展了不同的体系结构。采用WiFi和3G无线技术作为移动设备的农业应用手机，远程访问和短消息服务可用于控制和监测受保护的作物。基于WiFi(IEEE 802.11g)的智能无线传感器网络被提出应用在农业监测方面，其系统由三个部分组成：传感器、路由器和服务器。监测温室或农田的气候条件，如湿度、温度、气压、光照、水位和土壤湿度。WiFi的缺点在于持续接收信号需要消耗大量功率，且通信时间长以及巨大的数据负载。尽管WiFi服务器采用数据冗余技术可防止数据丢失，但受用户数量和信号强度的影响，该技术并不适用于农业无线传感器网络应用。

2.6 GPRS/3G/4G技术

通用分组无线业务(GPRS)是基于GSM的蜂窝电话的分组数据业务。这种技术取决于共享相同通信信道和资源的消费者的数量。使用GPRS模块和无线传感器网络可开发自动作物灌溉系统，同时安装在植物根区的传感器可收集土壤温度和湿度信息，因此使用该系统是改善水质的比较实用的解决方案。WSN-GPRS网关充当WSN和GPRS之间的桥梁，其中来自WSN的数据被传送到数据管理中心。用GPRS配备，各种无线节点可测量和传输土壤，植物和大气的信息。无线节点由于其独立性和太阳能的使用，具有无限的自主权。不同的传感器可通过GPRS网络将信息传输到远程位置，使用平板电脑、移动电话或计算机对信息数据进一步分析。所有农业传感器都连接到GPRS网络，可获取农业信息，这些信息被传送到远程服务器，从而实现了农业信息的远距离传输[6]。

3 无线通信协议的性能比较

比较上述无线通信协议中不同的参数，包括功率消耗、通信范围、数据率、成本、系统的复杂性和其它技术的参数，如图2所示。解决农业应用中存在的问题往往是从部署范围选择中逐渐发展而来，例如当农业领域被障碍物隔开时，传感器节点传输的信号会衰减。在农业应用中，功耗被认为是无线传感器网络设计的另一个限制，ZigBee无线协议设计主要在短距离的通信范围和低功耗下运行，LoRa和SigFox能够以低功耗和远距离无线电工作。上述技术的功耗和通信距离评估如下[6]。

图2 不同的无线技术在功耗和通信距离方面的差异

Zigbee协议和蓝牙低功耗专为解决电池供电设备而设计，这些技术通过低功耗循环实现节能，并进入睡眠模式以延长电池寿命。经典的BT，WiFi，GPRS，LoRa和SigFox比ZigBee具有更高的功耗。尽管ZigBee的通信范围比LoRa，SigFox和GPRS短，但这个范围可能是通过路由器节点扩展以克服农业应用中的节点部署限制。就功耗而言，低能耗蓝牙的性能优于ZigBee，但该无线协议在农业应用中受到限制，因为它的通信距离短。 ZigBee还具有比BT更高的网络弹性，从而允许各种拓扑结构。鉴于在ZigBee网络中有大量的节点(超过65,000个)，ZigBee技术可用来覆盖广泛的农业应用。

LoRa无线协议涵盖了低功耗的大型通信领域，适用于广阔的农业领域。 LoRa协议的网络规模受其占空比的限制，其中1%的占空比可导致每个终端设备的最大通信时间为36小时。 此外，LoRa网关的信息容量有限，在城市地区计划外部署LoRa网关，每分钟超过100条消息，干扰了SigFox等低功耗无线区域网络。 因此，增加网关的数量可能会对LoRa网络的基础设施构成挑战。 此外，LoRa技术非常复杂且需要有相当高的硬件支持。

与ZigBee和LoRa相比，SigFox具有极低的数据速率(100 bps)和较慢的传输时间(10个字节为10 s)。 SigFox支持由管理设备和基站之间连接的中央服务器监督的星型拓扑，而LoRa支持基于星型到星型拓扑结构的广域网，从而创建LoRa网关的桥梁。鉴于数据速率和传输时间在任何通信系统中都是关键问题，SigFox不适于广泛用于农业应用。 而且由于多个M2M设备可能在相同的区域中运行，SigFox技术不支持碰撞避免方案，会影响网络。 此外，SigFox由于其单向通信(无确认信号)和低接收功率，可靠性有限。因此LoRa和SigFox基础架构具有一定的相似性。

从以上数据分析，图2显示不同无线通信协议的性能比较与表1中的显示结果有一定的一致性，ZigBee和LoRa无线协议已被确定为农业应用中最合适的无线协议，主要是因为它们的功耗低， 通信范围(短程ZigBee，远程LoRa)，体积小，易于实现网络。

表1 无线通信技术参数

精准农业使用传感器、执行器、处理器、无线收发器和其他信息技术，允许制造商对自动化农业的特定地点管理实现计算机化。在精度方面，农业应用无线协议改善了农业领域应用技术。精确灌溉通常被认为是优化灌溉精度，能够控制最佳水量和灌溉时间。与传统灌溉系统相比，精确灌溉系统节水90%(基于ZigBee)，50%(基于蓝牙)。基于ZigBee的灌溉系统的自动化将系统成本节约了1.24%，节能2.05%至8.21%，节水0.71%至6.46%[7]。应用ZigBee无线协议的算法，监测农业和环境方面的预计准确率为95.4%。应用LoRa无线协议远程监测农业环境能够提高效率90%[8]。基于SigFox无线协议，灌溉节水约30%。

4 结 语

针对无线传感网络在精准农业技术中的应用分析，结果显示，无线传感器网络可通过提高准确性、效率以及降低各种无线协议系统成本等方式来实现精准农业。 因此与传统农业系统相比，精准农业可以利用农业自动化系统，改进管理方式从而提高生产效率。

在WiFi、蓝牙、ZigBee、GPRS / 3G/4G、LoRa和SigFox等不同无线技术或协议之间进行了能耗、应用、传输方式以及传输距离的比较。比较结果表明，ZigBee和LoRa无线协议功耗低更适用于农业生产。未来精准农业的研究重点可能是解决农业中的能耗问题，主要总结如下：⑴选择具有低成本、低功耗的设备；⑵开发开放的标准通信协议和节能应用程序；⑶通过睡眠/唤醒策略降低无线传感器网络RF组件的功耗。