基于WSN的农业信息研究绪论＊

万 毅，刘 宝，周 杰



基于WSN的农业信息研究绪论＊

万 毅，刘 宝，周 杰

（石河子大学信息科学与技术学院，新疆 石河子 832003）

在社会经济迅速发展的今天，从事农业生产的人数越来越少。但是民以食为天，对农作物进行种植时，外界的许多因素都在影响其生长和发育，比如土壤温湿度、酸碱度、光照强度等。农业要想朝着现代化、信息化的方向发展，如何准确高效地对农业生产作物信息数据进行采集和处理显得尤为重要。重点介绍了WSN的技术基础及其在农业方面应用的便利条件，叙述了我国农业发展面对的实际情况，对WSN在农业方面的使用做了简单论述。说明优化WSN无线传感器网络技术是未来农业研究的方向。

WSN；农业信息化；智能化；数据采集

1 WSN应用背景与国家政策

我国地处黄河、长江流域，自古以来以农业为基础，耕地面积大而广。虽然我国水资源总量居世界第六位，但是我国人口基数大，导致水资源个人平均占有量比较低。其中，农业所需浇灌用水只从江河供应是远远不够的，在农业生产作业中所需要的灌溉用水占据了我国水资源总使用量的70%.根据调查显示，自20世纪末以来，我国农业土地受旱灾影响已达230 000 km2以上，因缺水导致粮食年产量下降约1 000亿公斤。随着科学技术日益发展，社会也在日益进步，我国生活用水与工业用水需求量出现大幅度增长，因此更加剧了水资源匮乏与农业生产用水之间的供给与需求的不平衡。我国人均水资源占有量比较低，且我国的水资源浪费情况严重，平均利用率为40%左右，与发达国家的85%相比，远远低于西方发达国家的平均水平。对比数据可以发现，我国对水资源的使用有广阔的节水空间。

因而，节水浇灌技术成为节约水资源、提高水资源利用率的主要方法。实现水资源适量实时的自动化灌溉不可或缺，而作物实时需水信息的提供传输与分析成为了节水灌溉控制系统的运用普及过程中的塔尖问题。与发达国家相比，我国基于WSN节水灌溉控制系统技术与农业环境监测系统[1]才处于刚刚起步发展阶段。从20世纪中叶开始美国凭借运用计算机的优势性能分析探索饲料问题到现在，农业信息化在美国的利用已经从最基础的农业方面的科学转向联合遥感（RS）技术、仿真模型技术、不间断数据采集传感器（CDS），人工智能、3S技术以及决策支持系统（DSS）等各种高新科技手段的信息化农业。凭借这些高新技术手段，美国从需要进口粮食的国家变为了粮食出口大国。目前，信息化农业在北美、西欧、大洋洲等发达国家主要所在地如雨后春笋开始兴起。我国对信息化农业方面的研究探索和西方发达国家相比都要晚许多，但到了21世纪初，随着党和国家对农业的重视，政府提出了关于指向“农民、农业、农村”的政策，伴随着政策具体落实到千家万户，我国各个地区的农业技术水平都在突飞猛进的发展，特别是在农业信息化的开发促进方面更加得到党和政府的重点批示。怎样准确方便地将田地中的各种所需数据精确采集，让种植户足不出户就看到农作物生理形态与生长信息，并且根据情况通过由职业技术人员诊断系统进行所得数据的分析与诊断，显示出最优化的处理结果，是现在和将来很长的一段时间内我国农业信息化方面的重点研究方向。

2 WSN技术特点及其使用技术

伴随着WSN技术、无线通信技术、嵌入式系统和分布式信息处理等先进技术的发展，微传感器以其所占空间小、质量轻、性能好、能量消耗少、易于集成等特点，在国家防御、制造业、生物工程、三农、交通运输、航空航天等领域得到了广泛的应用。无线传感器网络是一种以自组织方式由大量静态或移动微传感器组成的无线网络[2]。其目的是促进地理区域传输网络所涵盖的传感物体的实时传感、收集和处理，之后把这些形成的信息发送给该WSN网络的持有者。我国进入21世纪以来，农业信息化是党建设现代农业的重大战略决策之一。具有先进的基于WSN技术的仪器和信息处理皆由电脑自主识别判别分析技术是保证农业信息准确的重要的方法。

WSN技术是由传感器技术、MEMS、微波通信技术、嵌入式系统技术和分布式处理系统所组成，有许多的优点，如易于架设、自行部署网络、低能耗、制造成本低廉、灵活通信等，将其应用于节水灌溉、农业环境监测领域已成为目前WSN研究的重心之一[3]。无线传感器技术对实现农业信息化过程的智能化管理是非常有利的，并且是现代农业高科技技术实现农业原有资料的管理，农业环境和农业生产过程分布信息采集、收取和精细化、智能化管理的重要辅助支持技术。将WSN技术使用在智能化浇灌系统中，是处理精确灌溉具体化操作过程中作物需水信息的远距离收集采取问题的有效手段。

WSN为农业地区不同的环境检测处理和加工指出了一条可靠便捷的康庄大道。因为我国的农业分布范围比较广，如能全面建立基于WSN的网络节点监测网络，实时采集土壤的温度、湿度、pH值、降雨量和压强等数据，进而检测生产作业中是否需要灌溉，从而达到及时灌溉的目的。在农田中大规模布置WSN节点可以对监测区域的可变环境中的不同的信息进行日夜不间断地采集收取，收集的信息通过中间服务器中转最终传输到终端，通过对这些数据的分析与处理，农户可以适当地根据农田中种植的作物进行一系列正确的操作，也使农田管理拥有了切实有效的数据。第一时间收集农业生产地域各种农田信息是农业信息化的重要基础，如何准确、快速、有效地获取田间地头的各类所需数据是当前农业信息化急需探索研究的课题。农田不同环境信息数据的采集收取需要依靠压强、水量、土壤温湿度等不同的传感器，所以在此条件下使用的微型传感器可能会具有不同的初始能量，而且传感器节点会感应、采集和传输大小不一的数据信息集合，导致各个传感器消耗能量的速度也不尽相同，从而形成异构网络。因此对不同农田信息采集监测处理的异构WSN网络的研究具有重大的学术意义和社会意义。

3 WSN在农业智能化浇灌中的应用及其推广

中国近年来，陆续开展了把WSN技术应用在智能化浇灌处理系统等一系列的研究，中国科技大学则对集约浇灌农业监控体系中的无线传感器进行了初始的实践研究探索；中国农业大学研究中心的某些院士研究水平比较高，可以基于不同地区农田的土壤条件与环境，为精准化农业地域的不同与智能化灌溉研究提供了实际有效的数据。

总体来说，当前我国的智能化精细化灌溉的科学手段与基于WSN的信息采集处理系统应用还不广泛，基于WSN无线传感器及其在精细化准确化灌溉控制系统中的应用依然处于探索阶段，必须开始研究满足精确灌溉和农业信息检测方面的实施需求的WSN数据传输的关键技术。与传统的农业信息数据收取采集手段相比，异构WSN[4]具有如下有利的特点：①微型无线传感器所占空间比较小，且架设仪器时方便快捷，不需要多次架设，所以无线传感器的网络覆盖区域不可抗力因素所造成的误差比较小；②采用基于WSN的网络节点使用的是自组织技术，微型无线传感器的数量不受限制，而传感器的种类又有许多，所以利用数百个乃至成千上万个各种不同种类的传感器就能实现多区域大面积的准确方便地采取收集该覆盖区域的数据信息；③微型传感器自身具有基本的存储和运算功能，当无线传感器网络覆盖区域的环境发生变化时，如温度、湿度、压强等，可以自行调整，准确地获取地理信息数据。我国若构建基于WSN的无线传感器网路应用于节水精确灌溉系统、农业信息化数据获取处理系统，就可以使当前农业信息化中存在的成本、数据收集采取、数据信息传输等方面存在的尚未完善的问题得到一定的解决。农业生产所处的地理环境存在监测物种多样、面积分布广、分布地远离城市、通信条件落后等特点，因此在很多情况下，对于田间地头数据信息的获取更加不便。借助于异构WSN，可以实时获取所处地理环境的温度、湿度、含水量等数据，也可以得到农作物的各种生长信息、生长指标和遇到虫害营养不良时的警告信息等。通过基于WSN无线传感器的信息采集收取处理系统，以实现我国的农业信息现代化，加快我国科技强国的步伐。

4 结论

农业地理环境数据的收集与传输，是农业现代化的重要组成部分，也是现代化农业在未来的发展趋势。所以优化WSN无线传感器网络技术以及发展基于WSN的稳定、高效的农业智能化系统是未来研究的方向。

［1］常超，鲜晓东，胡颖.基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计［J］.传感技术学报，2011，24（6）：879-883.

［2］骆凯，李淼，胡泽林.基于WSN的农业信息远程监控系统的设计与实现［J］.自动化与仪器仪表，2008（4）：14-17.

［3］刘媛媛，朱路，高波，等.基于WSN的农业环境信息监控系统软件开发［J］.华东交通大学学报，2013（4）：59-64.

［4］邹志勇.农业环境参数远程检测WSN网关的研究与设计［D］.咸阳：西北农林科技大学，2010.

S126

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.088

2095－6835（2018）22－0088－02

国家自然科学基金项目（编号：61662063）；兵团重大科技项目（编号：2017AA005-04）；石河子大学高层次人次启动项目（编号：RCZX201530）

周杰（1982—），男，湖南湘乡人，副教授，博士，研究方向为物联网技术。

〔编辑：严丽琴〕