无线传感器网络在农业应用中的特点和前景

向模军， 邹承俊

(成都农业科技职业学院， 成都 611130)

现代农业必须增加粮食生产才能满足全球如此大量的人口。为解决这一问题，农业领域正在应用新技术和新的解决方案，以提供收集和处理信息并提高生产力的最佳选择。此外，令人担忧的气候变化和缺水现状，要求出现新的提高现代农业领域的技术[1-6]。目前这类技术主要包括：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)、通用分组无线业务(GPRS)、全球定位系统(GPS)、遥感和地理信息系统(GIS)。

这些技术中，在农业领域主要是应用WSN改进传统农业生产方法[7-11]。WSN的研究起步于20世纪90年代，它是由电池供电的传感器互连组成的网络，通过无线媒介完成部署以服务于特定的应用目的(见图1)。这些传感器利用先进的微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical-Systems，MEMS)技术使得其自身变得小巧便宜。这种传感器独特的操作性质，以及自组织的小型节点，可扩展且经济高效的技术，使WSN成为实现农业自动化目标的一个可行的解决方案，在植物生长优化、农田监测、温室气体监测、农业生产过程管理以及农作物安全等方面的应用潜力巨大[12-19]。

图1 农业应用中典型的无线传感器网络的组成

在农业中，目前大部分基于WSN的应用都是针对具体的问题。例如，用于环境的WSN，对土壤养分信息进行状态监测，随着时间的推移预测作物健康和生产质量[7]。WSN在灌溉调度中的应用主要通过监测土壤水分和天气条件来实现[10]。基于可扩展性，只需要通过增加传感器节点，就可改进现有的WSN的应用程序以监控更多的参数[20]。这些应用程序中存在的问题主要是最佳部署策略的确定、测量间隔、节能介质访问和路由协议[21]。例如，具有长数据收集的节点的稀疏部署间隔有助于提高网络的使用寿命。但是，也可能出现其他挑战。例如，如果字段区域被分隔，那么障碍物就会导致信号的衰减进而影响节点间的通信。

因此，为了使WSN更好地为农业服务，需要对现有WSN技术在农业领域的应用进行调查，分析WSN在改进农业生产方式，提高生产效率和生产质量的使用特点，对其布置方式和通信技术等进行分类，讨论WSN技术在土壤、环境、植物生长和沼气工程等中的潜在应用。

1 两类广泛应用的WSN

1.1 地面无线传感器网络(Terrestrial Wireless Sensor Network，TWSN)

在TWSN中，节点被部署在地面以上。MEMS技术的进步使得智能，小尺寸，但成本低的传感器被创建。这些强大的传感器支持传感器节点或微尘准确收集周围的数据。基于传感到的信息，这些节点内部形成网络以完成应用要求。在精准农业中，可通过TWSN部署实现灌溉系统的自动化。有研究提出了一种使用TWSN和GPRS模块的自动灌溉系统，其所用传感器通过确定土壤的含水量，共同决定灌溉的时间点和持续时长[15]。

1.2 无线地下传感器网络(Wireless Underground Sensor Networks，WUSN)

另一大类WSN是它的地下配套设备—无线地下传感器网络(WUSN)。在这个类型中，无线传感器种植在土壤中。埋于地下使得高频遭受严重的衰减，相反低频则能够穿透土壤[22]。因此，通信半径受到限制，网络则需要更多的节点来覆盖较大的区域。有线传感器的应用可增加网络覆盖，同时需要相对较少数量的传感器。但是，在有线这种设计下，传感器和电线可能容易受到农业活动的影响。

1.3 两大类WSN的区别

TWSN和WUSN具体的区别见表1。

表1 TWSN和WUSN的区别

2 WSN在农业领域中的使用特点

WSN成为农业领域自动化生产工具主要基于其以下几方面的显着特点。

(1)智能决策能力：WSN具有多跳特性，在大范围内，该特性提高了整个网络的能源效率，从而延长了网络寿命。使用此功能，多个传感器节点可以相互协作，共同作出最终决定[23-25]。

(2)动态拓扑配置：为节省节点内电池电量，传感器节点大多数时间都处于“睡眠模式”。使用拓扑管理技术，传感器节点可以协作地做出睡眠决定。为了最大化网络生命周期，配置网络拓扑以使得最小数量的节点保持在活动模式[26-29]。

(3)容错：部署WSN的一个常见挑战是传感器节点容易出错。在这种情况下，节点的计划外部署可能会导致网络分区，从而影响网络的整体性能。然而，在对策中，传感器节点可以通过动态配置网络拓扑实现“自组织”[30-31]。

(4)情境感知：基于感知到的关于物理和环境参数的信息，传感器节点获得关于周围情境的信息。此后传感器节点所做的决定是基于上下情境的[32]。

(5)可扩展性：通常，无论WSN协议的大小和节点数量如何，WSN协议均可在任何网络中实施。该功能无疑扩大了WSN在众多应用中的潜力。

(6)节点异质性：WSN通常被认为是由均匀传感器连接的设备组成。然而，在许多现实场景中，这些设备在处理和计算能力、存储器、感测能力、收发器单元和移动能力方面是异构的[33-35]。

(7)在恶劣的环境条件下对通信故障的容忍度：由于在开放式农业环境中广泛的应用，WSN受到恶劣环境条件的影响。WSN协议包含的技术可以承受由于环境改变而引起的网络通信故障[4]。

(8)自动操作模式：WSN的一个重要特征是其自动操作模式和适应性。在农业应用中，这个功能当然起着重要的作用，并且能够实现简单而先进的操作模式[36-37]。

(9)信息安全：WSN携带有关现场参数的原始信息。为了确保信息的安全性，WSN提供了访问控制机制和异常检测来限制未认证的用户[38]。

3 WSN在农业领域中的潜在应用

下面列出WSN在农业领域可能的潜在应用。

(1)灌溉管理系统：现代农业需要改进灌溉管理系统来优化农业用水。地下水位的惊人降低是另一个农田需要先进灌溉系统的动机。在这种情况下，微灌技术具有成本效益和用水效率高的特点。但是，根据环境和土壤信息，可以进一步改善微灌效率。在这方面，WSN被用作协调技术[15, 17, 39-41]。

(2)农业系统监测：目前，农业中使用各种改进的系统和设备。而用于管理这些设备的改进系统(如WSN)简化了整体操作并实现了自动化。此外，远程监测系统有助于改善大型农业工程(如沼气工程)的管理。再通过输入诸如卫星图像和天气预报之类的附加信息，可以改善系统整体性能[42]。

(3)病虫害防治：控制农药和化肥的使用有助于提高作物质量，并最大限度地降低农业成本。但是，为了控制农药滥用，我们需要监测农作物中病虫害的发生概率。为了预测这一点，需要周围的气候信息，如温度、湿度和风速。WSN可以自主监测和预测这些参数。

(4)肥料的使用控制：植物生长和作物质量很大程度上取决于肥料的使用。然而，找到最佳肥料供应量是一项具有挑战性的任务。但是，通过监测土壤营养物质的变化，如N，P， K和pH值可以实现土壤营养平衡，作物生产质量也可得以保持。

(5)牲畜运动监测：可以使用WSN技术或无线射频识别器监测一群牲畜，实现对牲畜的实时监控，并了解是否有牲畜在植被附近移动[43-44]。

(6)地下水质量监测：化肥和农药的使用量增加导致地下水质量下降，通过无线通信放置传感器节点有助于监测水质[45, 46]。

(7)温室气体监测：温室气体与农业密切相关。温室气体提高环境温度，从而对农业产生直接影响。另一方面，农业生产如粪便等有机物的发酵又排放温室气体。有研究介绍可利用太阳能无人驾驶飞行器和 WSN系统监测温室气体—甲烷和二氧化碳[18]。

(8)资产追踪：采用无线技术可以远程追踪农业设备资产。使用者可以从家中追踪农用车辆和灌溉系统的位置[47]。在农业工程方面，如沼气工程，也可以实现如原料收储运车辆，沼渣沼液运输车辆等工程设备的全追踪。

(9)沼气工程远程控制和诊断：随着物联网的出现，远程控制和诊断沼气工程设备，例如，泵、灯、加热器、机械阀门也是可能的[48]。

4 WSN在农业应用中使用的技术和标准

当前，WSN在农业应用中使用的主要有无线通信技术和节能技术。其中无线通讯技术主要有ZigBee，WiFi，蓝牙，GPRS/3G/4G，WiMAX等，每一类技术都建立了一定的技术标准，表2对这些通信技术做出了比较。而节能技术主要包括太阳能、水流能、空气能和微生物燃料电池。

4.1 无线通信技术

(1)ZigBee：此技术基于IEEE 802.15.4标准物理层和MAC层来定义网络和应用层协议，这些定义是使用低功耗无线设备设计无线局域网所必需的。作为节能，低成本和可靠的ZigBee技术，它在农业领域的WSN应用中是首选。ZigBee还支持通过多层、分散、特设和网状网络的短距离(10 m～20 m)数据通信。支持ZigBee的设备具有低工作周期，因此适用于农业应用，如灌溉管理，农药和肥料控制，水质管理，需要定期更新信息。但ZigBee有一个较大的缺点，其应用在868/915 MHz和ISM频段的2.4 GHz频率下分别只产生20 kbps～40 kbps和250 kbps的低数据速率。通常，该标准要求低规格的硬件(例如具有50 kb～60 kb存储器的微处理器)并且包括安全加密技术[49, 50]。

(2)WiFi：WiFi是基于IEEE 802.11标准系列(IEEE 802.11,802.11a / b / g / n)的无线局域网(WLAN)标准，用于信息交换或无线连接到互联网。目前，它是从智能手机和平板电脑到台式机和笔记本电脑等设备中使用最广泛的无线技术。WiFi提供20 m(室内)至100 m(室外)的良好通信范围，数据传输速率在ISM频带的2.4 GHz频率处为2 Mbps～54 Mbps。在农业应用中，WiFi拓展了通过ad-hoc网络连接多种类型设备的异构体系结构的使用。

(3)蓝牙：基于IEEE 802.15.1标准的蓝牙是一种低功耗，低成本的无线技术，用于短距离(8 m～10 m)的便携式设备和台式机之间的通信。蓝牙标准定义了使用ISM频段的2.4 GHz频率的个人区域网络通信。各种蓝牙版本的数据速率范围为1 Mbps～24 Mbps。这种技术的优点是其无处不在的性质，因此它适用于多层农业应用。该标准的超低功耗，低成本版本被命名为蓝牙低功耗(BLE)，该技术最初于2006年由诺基亚作为Wibree推出。但是，在2010年，BLE与主要蓝牙标准版本4.0合并。BLE还使用具有自适应跳频的2.4 GHz ISM频段来减少干扰。此外，BLE在所有数据包中都包含24位CRC和AES 128位加密技术，以确保灵活性和身份验证。BLE拓扑支持一对一以及设备之间的一对多连接。

(4)GPRS/3G/4G：GPRS是用于基于全球移动通讯系统(Global System for Mobile Communication，GSM)的蜂窝电话的分组数据业务。在2G系统中实现了50 kbps～100 kbps的数据速率。但是，在GPRS中，吞吐量和延迟是可变的，并且取决于共享相同资源的其他用户的数量。尽管GPRS带来的最大优势是缓解了无线设备的范围限制。任何两个设备都可以通信，只要它们都位于GSM服务区。但是，它更适合定期监测应用，而不适用于实时跟踪型应用。GPRS的高级版本(3G和4G)提供了更高的数据速率，3G和4G是第3代和第4代移动通信技术。这些技术实现的相应数据传输速率分别为3G和4G中的200 kbps和100 Mbps～1 Gbps。

(5)WiMAX：WiMAX是全球微波接入互操作性(Worldwide Interoperability for Microwave Access)的缩写，无线通信标准是指IEEE 802.16标准系列的可互操作实现。WiMAX的目标是在固定台站实现0.4 Gbps～1 Gbps的数据速率，使用该技术的最大传输距离为50公里。移动WiMAX(IEEE 802.16e标准)提供大约50 Mbps～100 Mbps数据速率。此外，据称WiMAX在4G之前的长期评估(LTE)和高速分组接入(HSPA +)演进中具有高能效。远程支持和高速通信功能使WiMAX成为农业应用的最佳技术，涉及资产监控，如农业系统监控，作物区域边界监控以及远程控制水泵，灯光等实时诊断，耕作系统的远程诊断[51]。

表2 WSN中不同通信技术的比较

4.2 节能技术

4.2.1 太阳能

基于光伏系统和方法的太阳能可用于基于WSN的农业应用。太阳能电池为确保农业监测系统的稳定运行提供了一个很好的解决方案。太阳能电池能源已被多项研究用于为农业应用中的传感器节点提供长期能源[52-53]。

4.2.2 水流能

利用作物灌溉系统管道中的水流能量，为ZigBee路由器节点产生能量。这个方法可应用于不同的农业领域，例如温室，水产养殖和水培系统，因为在这些系统中管道中的水循环是连续的[54]。与体积庞大的水力发电设施原理一样，可将管道中的水流的运行连接到小型直流发电机的涡轮机。

4.2.3 空气能(风能)

风能是另一种可用于向传感器节点供电的能量收集技术。设计中应考虑自适应路由协议，风能收集和睡眠调度，以最小化通信网络收发器的功耗并延长WSN的生命周期。

4.2.4 微生物燃料电池

另一种能量收集技术被称为微生物燃料电池。这项技术是从微生物燃料电池这种能源中立系统中提取能量以供应传感器和其低功耗的微控制器和无线协议，可用于监测潜水区、自流井和水箱的水位[55]。

5 结论

通过引入新的需求，将WSN融入到推进农业生产和农业环保工程(如沼气工程)的行列中，是目前的大势所趋。本文对现代农业应用WSN的最新技术进行了全面的回顾。本文介绍了WSN的两大类型—地面WSN和地下WSN，强调了 WSN在农业中的应用特点，以及它们解决各种农业问题的潜力。并对WSN的不同通信技术作出比较，并列出了未来可重点关注的节能技术。目前应用WSN作为解决方案的最先进技术是灌溉管理，农作物疾病预测和葡萄园精准农业生产。与此同时，随着现代技术的出现，创新高效的WSN系统还有很大的应用空间，但降低成本也非常关键。总体而言，WSN这些应用程序的成功需要未来的预先规划，并需要特别关注其在中低收入国家的应用问题。