無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

高 峰，盧尚瓊，徐青香，姜慶臣

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，浙江 臨安 311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 圖書館，浙江 臨安 311300）

設(shè)施農(nóng)業(yè)的核心是對(duì)設(shè)施內(nèi)部環(huán)境能夠有效調(diào)控，營(yíng)造適于生物生長(zhǎng)發(fā)育及農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)藏保鮮的最佳環(huán)境條件［1－4］。因此，研究、設(shè)計(jì)并開發(fā)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要采用有線通信技術(shù)（串行總線技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等）進(jìn)行通信。這種系統(tǒng)雖然具有設(shè)備互操作性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在穩(wěn)定性差、可靠性低、部署困難、擴(kuò)展不靈活、安裝及運(yùn)行維護(hù)成本高等不足［5-8］，從而極大地限制了其在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布式系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。各傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊等，它們以無(wú)線通信方式，通過(guò)分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和分布式算法，可自組織地快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點(diǎn)間具有良好的協(xié)作能力；借助于其集成的形式多樣的傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)可探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光照度、壓力、移動(dòng)物體的大小、速度與方向等諸多人們感興趣的物理現(xiàn)象；通過(guò)網(wǎng)關(guān)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以接入Internet/Intranet，從而將采集到的信息回傳給遠(yuǎn)程的終端用戶。這些特性使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛，遍及國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、城市管理、太空探索、醫(yī)療衛(wèi)生、智能樓宇、交通運(yùn)輸、災(zāi)難預(yù)警與救助、倉(cāng)儲(chǔ)/物流管理等諸多領(lǐng)域［9－12］。在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，也有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)［5－8，13］：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)具有精度高、能耗小、經(jīng)濟(jì)性好、安裝方便、擴(kuò)展靈活、穩(wěn)定性與可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以有效克服傳統(tǒng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的各種缺陷，實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境（空氣溫度、空氣濕度、光照度、二氧化碳濃度、土壤溫度、土壤濕度、土壤電導(dǎo)率等）的實(shí)時(shí)、精確、遠(yuǎn)程和自動(dòng)監(jiān)控，滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用需求。因此，國(guó)內(nèi)外眾多大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)對(duì)它產(chǎn)生了極其濃厚的興趣，越來(lái)越多的科學(xué)家和學(xué)者紛紛加入到該研究行列，研究成果日益豐富。筆者對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行綜述，主要內(nèi)容有：提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)國(guó)內(nèi)外具有代表性的相關(guān)研究成果進(jìn)行了評(píng)述，對(duì)存在的主要問(wèn)題進(jìn)行了剖析，提出了解決問(wèn)題的基本思路。

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

雖然針對(duì)具體應(yīng)用，可能為基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)特定的體系結(jié)構(gòu)，但在本質(zhì)上，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通常具有如圖1所示的結(jié)構(gòu)［5－8，13－14］。

圖1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Figure 1 Basic structure of WSN-based monitoring system for facility agriculture environment

其典型工作方式為：大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織的方式快速形成一個(gè)感知網(wǎng)絡(luò)（即WSN）。在感知網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既是信息的采集者和發(fā)送者，又是信息的路由者。傳感器節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的信息（傳感數(shù)據(jù)），以多跳中繼的方式，將其傳送給網(wǎng)關(guān)。當(dāng)感知網(wǎng)絡(luò)與管理及用戶網(wǎng)絡(luò)距離較遠(yuǎn)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)它們之間的相互通信，通常需要借助廣域網(wǎng)（如Internet、全球通、衛(wèi)星網(wǎng)等）進(jìn)行互聯(lián)。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)感知網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)之間通信的橋梁。這樣，當(dāng)傳感數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)后，網(wǎng)關(guān)將傳感數(shù)據(jù)經(jīng)廣域網(wǎng)傳送給用戶所在的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)中運(yùn)行著上位機(jī)管理軟件，在接收到傳感數(shù)據(jù)后，上位機(jī)管理軟件的專家系統(tǒng)模塊結(jié)合接收到的傳感數(shù)據(jù)、各類知識(shí)庫(kù)，形成控制決策（控制指令），并通過(guò)網(wǎng)關(guān)將控制指令發(fā)送給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制與其相連的各種物理裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境的精確控制。

為提高監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)控精度，往往需要將監(jiān)控區(qū)域劃分成若干子區(qū)域，實(shí)行分區(qū)域控制。因此，感知網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)采用分層分簇結(jié)構(gòu)，如圖2所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)子區(qū)域形成一個(gè)簇，每個(gè)簇由一個(gè)簇首、若干傳感器節(jié)點(diǎn)和若干執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。簇首是一種特殊的傳感器節(jié)點(diǎn)，它通常比傳感器節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的計(jì)算與存儲(chǔ)能力；傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地采集監(jiān)測(cè)子區(qū)域內(nèi)的信息并發(fā)送給簇首；簇首對(duì)本簇內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)（稱為簇內(nèi)數(shù)據(jù)）進(jìn)行融合后，將簇?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)；簇首接收來(lái)自網(wǎng)關(guān)的各種控制指令，并轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)接收到控制指令后，驅(qū)動(dòng)與其相連的物理裝置，如加熱器、噴頭閥門開關(guān)等。傳感器節(jié)點(diǎn)采用單跳/多跳方式向簇首發(fā)送傳感數(shù)據(jù)；簇首也通過(guò)單跳/多跳方式向傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送相關(guān)指令。

圖2 感知網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)Figure 2 Architecture of sensor networks

2 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的進(jìn)展情況

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于21世紀(jì)初葉。2002年，英特爾公司率先在俄勒岡州建立了世界上第一個(gè)無(wú)線葡萄園［14］。傳感器節(jié)點(diǎn)被分布在葡萄園的每個(gè)角落，1 min檢測(cè)1次土壤溫度、濕度或該區(qū)域有害物的數(shù)量，以確保葡萄可以健康生長(zhǎng)。研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄園氣候的細(xì)微變化可極大地影響葡萄酒的質(zhì)量。通過(guò)長(zhǎng)年的數(shù)據(jù)記錄以及相關(guān)分析，便能精確的掌握葡萄酒的質(zhì)地與葡萄生長(zhǎng)過(guò)程中的日照、溫度、濕度的確切關(guān)系。該方案所使用的節(jié)點(diǎn)為美國(guó)Crossbow公司的Mote系列節(jié)點(diǎn)MICA2和MTS300CA。

此后，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員開展相關(guān)研究，并取得一些成果，典型案例包括：Digital Sun公司開發(fā)的自動(dòng)灑水系統(tǒng)使用無(wú)線傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在必要時(shí)與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開或關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)、節(jié)水灌溉的目的［15］。在該方案中，為了維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)作的流暢，資料收集器會(huì)發(fā)出信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)灑水線路是否中斷，或檢測(cè)是否有灑水噴頭堵塞等情形，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候發(fā)出警告聲，以便通知相關(guān)管理者進(jìn)行適當(dāng)?shù)木S修。Butler等［16］應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電子籬笆，其傳感器節(jié)點(diǎn)由個(gè)人數(shù)字信息處理（personal digital assistant，PDA）模塊、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊、無(wú)線保真（wireless fidelity，WiFi）模塊、揚(yáng)聲器和一些連接電纜等組成，被設(shè)計(jì)成項(xiàng)圈形狀，可以佩戴在牲畜脖子上。牧群中傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成多跳ad hoc網(wǎng)絡(luò)，將牲畜運(yùn)動(dòng)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)給基站（膝上型電腦）。基站接收到牲畜的運(yùn)動(dòng)信息后，調(diào)用虛擬籬笆算法動(dòng)態(tài)修訂電子籬笆的邊界，并將電子籬笆的坐標(biāo)實(shí)時(shí)傳送給傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)佩戴傳感器節(jié)點(diǎn)的牲畜試圖跨越電子籬笆時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)出警報(bào)來(lái)控制該牲畜的行為。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人放牧，節(jié)約飼育場(chǎng)安裝和移動(dòng)物理籬笆所產(chǎn)生的開銷，提高飼育場(chǎng)的使用率。Riem-Vis［17］設(shè)計(jì)的商用Securifood系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)新鮮食品低溫運(yùn)輸系統(tǒng)的溫度監(jiān)控。該系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、中繼設(shè)備、訪問(wèn)盒和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸產(chǎn)品信息和收集溫度數(shù)據(jù)。中繼設(shè)備收集并存儲(chǔ)來(lái)自傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。眾多中繼設(shè)備構(gòu)成多跳ad hoc網(wǎng)絡(luò)。訪問(wèn)盒是一個(gè)嵌入式Linux裝置，它充當(dāng)由中繼設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)與Internet之間的網(wǎng)關(guān)。每個(gè)生產(chǎn)地部署一個(gè)訪問(wèn)盒。Internet主機(jī)上的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)擔(dān)當(dāng)中央服務(wù)器，收集、存儲(chǔ)并管理來(lái)自各訪問(wèn)盒的數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)Internet可以訪問(wèn)該數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。Wark等［18］開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在家畜飼養(yǎng)業(yè)中的應(yīng)用研究，其目的是應(yīng)用適當(dāng)?shù)募?lì)來(lái)防止兩頭牛之間的戰(zhàn)斗。為此，作者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于狀態(tài)機(jī)機(jī)制的動(dòng)物狀態(tài)估計(jì)算法，執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)某動(dòng)物相對(duì)于其他動(dòng)物的狀態(tài)來(lái)執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。系統(tǒng)采用了移動(dòng)式傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。López Riquelme等［13］在木爾西亞（Murcia）半干旱地區(qū)的一個(gè)生態(tài)園藝企業(yè)中設(shè)計(jì)并部署了一個(gè)試驗(yàn)性無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用了4類節(jié)點(diǎn)，即土壤傳感器節(jié)點(diǎn)、環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)、水傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)。土壤傳感器節(jié)點(diǎn)能夠測(cè)量各種土壤特性，例如溫度、容積含水率和鹽度等；環(huán)境傳感器節(jié)點(diǎn)能夠測(cè)量環(huán)境溫度和環(huán)境濕度；水傳感器節(jié)點(diǎn)部署在池塘邊，用于測(cè)量灌溉用水的水體鹽度和水體溫度，以監(jiān)控灌溉用水的品質(zhì)。此外，系統(tǒng)還包括一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用軟件，運(yùn)行在農(nóng)場(chǎng)中央辦公室的上位機(jī)上。

在國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的支持下，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所和國(guó)家水利部淮河水資源保護(hù)局合作設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［14］。該系統(tǒng)在位于蚌埠市的安徽省農(nóng)業(yè)科技示范園區(qū)獲得初步應(yīng)用。20多個(gè)節(jié)點(diǎn)被均勻地布置在面積大約為1 200 m2的花卉大棚內(nèi)。節(jié)點(diǎn)類型包括土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器和光照傳感器等。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將附近的環(huán)境信息和自身的狀態(tài)信息經(jīng)過(guò)自組織多跳路由傳遞給基站，然后通過(guò)本地服務(wù)器上的數(shù)據(jù)獲取程序?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器上。

浙江農(nóng)林大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、上?；粗切畔⒓夹g(shù)有限公司合作設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，即WSN-FAEAM系統(tǒng)［6－8，14］。它主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)管理軟件組成。傳感器節(jié)點(diǎn)有7類，即環(huán)境溫度節(jié)點(diǎn)、環(huán)境濕度節(jié)點(diǎn)、土壤溫度節(jié)點(diǎn)、土壤濕度節(jié)點(diǎn)、土壤電導(dǎo)率節(jié)點(diǎn)、光照度節(jié)點(diǎn)、二氧化碳濃度節(jié)點(diǎn)等。傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)符合IEEE Std 1451.0TM-2007和IEEE Std 1451.5TM-2007標(biāo)準(zhǔn)，具有即插即用、熱插拔和自動(dòng)校正功能；網(wǎng)關(guān)集成了通用分組無(wú)線服務(wù)（general packet radio service，GPRS），無(wú)線保真（wireless fidelity，WiFi），全球通（global system for mobile，GSM），射頻識(shí)別（radio frequency indentification，RFID）等擴(kuò)展模塊，集成了以太網(wǎng)接口、串行接口等，集成了IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議棧、精簡(jiǎn)傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（TCP/IP）棧和虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）橋，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與主干網(wǎng)（全球通、Internet和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等）之間的透明互聯(lián)；上位機(jī)管理軟件實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合機(jī)制，所有人機(jī)接口采用友好的圖形化界面設(shè)計(jì)，能夠直觀地動(dòng)態(tài)顯示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)WSN-FAEAM系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，能夠直觀地對(duì)各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織和管理。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于大田、溫室、苗圃等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)控。

總體上看，上述案例或成果具有里程碑的意義，它們?yōu)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用做出了前瞻性和探索性研究，并為后續(xù)開展相關(guān)研究積累了豐厚的技術(shù)儲(chǔ)備和寶貴經(jīng)驗(yàn)。在這些典型案例的示范作用下，越來(lái)越多的研究人員加入到相關(guān)研究行列，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用成果日益豐富起來(lái)。表1列舉了近年來(lái)公開報(bào)道的部分應(yīng)用研究成果。

3 存在的主要問(wèn)題及未來(lái)努力方向

3.1 感知網(wǎng)絡(luò)的功能性問(wèn)題及努力方向

目前，各類基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其傳感器種類有限，主要集中在空氣溫度節(jié)點(diǎn)、空氣濕度節(jié)點(diǎn)、土壤溫度節(jié)點(diǎn)、土壤濕度節(jié)點(diǎn)、土壤電導(dǎo)率節(jié)點(diǎn)、光照度節(jié)點(diǎn)、二氧化碳濃度節(jié)點(diǎn)、水體溫度節(jié)點(diǎn)、水體電導(dǎo)率節(jié)點(diǎn)等，通過(guò)這些傳感器節(jié)點(diǎn)，感知網(wǎng)絡(luò)只能感知生物生長(zhǎng)的部分環(huán)境信息，不能感知生物生長(zhǎng)所需的全部環(huán)境信息，難以進(jìn)一步提高監(jiān)控系統(tǒng)的精度。此外，現(xiàn)有基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)融合、能量管理及后臺(tái)管理軟件等方面，亦存在嚴(yán)重不足，直接影響了感知網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)性能。

今后的努力方向是：隨著嵌入式技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)等的不斷發(fā)展，研制新型傳感器節(jié)點(diǎn)，豐富傳感器節(jié)點(diǎn)的種類，實(shí)現(xiàn)更多類型環(huán)境信息的自動(dòng)測(cè)控；研制相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物生理指標(biāo)（如作物的細(xì)胞液濃度、作物的葉片含水量、作物的葉溫等）的實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程、自動(dòng)測(cè)控，進(jìn)而直接診斷作物的水分匱缺情況。同時(shí)，建立安全高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合機(jī)制，建立安全高效的能量管理機(jī)制，開發(fā)安全高效的后臺(tái)管理軟件，等等。這樣，可以有效提高設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，同時(shí)有效提高設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)的精度。

3.2 傳感器的即插即用問(wèn)題及努力方向

隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化程度的不斷提高，所需傳感器節(jié)點(diǎn)的種類將會(huì)越來(lái)越多。傳感器節(jié)點(diǎn)通常集成有傳感器、處理器、無(wú)線通信、電源等主要功能模塊。由于目前總線的種類繁多，每種總線的應(yīng)用范圍各不相同，彼此之間的兼容性與互操作性極差，導(dǎo)致各個(gè)傳感器制造廠商往往只生產(chǎn)滿足特定總線接口的傳感器，由此帶來(lái)嚴(yán)重的傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性和互操作性問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器的即插即用和熱插拔功能。對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也面臨同樣的問(wèn)題。目前，這個(gè)問(wèn)題已經(jīng)成為阻礙基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用推廣的主要因素。

表1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的一些案例Table 1 Some cases of WSN-based monitoring system for facility agriculture environment

今后的努力方向是：遵循IEEE Std 1451.0TM-2007和IEEE Std 1451.5TM-2007標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。文獻(xiàn)［14］對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了有益嘗試，但是所取得的結(jié)果還是比較初步的，在穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面目前還難以完全滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用需求。需要對(duì)文獻(xiàn)［14］提出的基于IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。

3.3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)的互連問(wèn)題及努力方向

這個(gè)問(wèn)題的基本涵義是：①在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，用戶往往需要通過(guò)Internet等來(lái)訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)的各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對(duì)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的特定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，因此需要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與主干網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。②獨(dú)立組網(wǎng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)初期的一種組網(wǎng)方式，出于對(duì)傳輸可靠性、傳輸時(shí)延等因素的考慮，單一無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不可能太大，一般僅限于局域網(wǎng)的層次。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)以及不同感知子網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)互通，必需實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。上述任務(wù)理所當(dāng)然由網(wǎng)關(guān)（或稱為匯聚節(jié)點(diǎn)）來(lái)完成?，F(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案雖然在一定程度上實(shí)現(xiàn)了上述功能，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足將來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用需求，特別地，現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)難以滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模組網(wǎng)的應(yīng)用需求。

今后的努力方向是：結(jié)合應(yīng)用需求和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，研制監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)之間的透明互聯(lián)。目前，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的主流技術(shù)大體上可以分為4類，即協(xié)議轉(zhuǎn)換方式、協(xié)議承載方式、虛擬互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（IP）橋方式以及全I(xiàn)P方式［14，30-33］。文獻(xiàn)［14］對(duì)4類網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了分析比較，認(rèn)為只有虛擬IP橋方式是切實(shí)可行的。但是文獻(xiàn)［14］提出的基于虛擬IP橋的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案是非常初步的，難以滿足未來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐的需求。需要對(duì)文獻(xiàn)［14］提出的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。特別地，鑒于TCP/IP協(xié)議的廣泛成功應(yīng)用已經(jīng)使其成為當(dāng)前有線網(wǎng)絡(luò)事實(shí)上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并且其應(yīng)用范圍正逐步向無(wú)線領(lǐng)域拓展，因此，未來(lái)可以重點(diǎn)關(guān)注無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與融合問(wèn)題，尤其是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與融合問(wèn)題。

3.4 上位機(jī)軟件的功能性問(wèn)題及努力方向

現(xiàn)有各類上位機(jī)軟件雖然能夠滿足對(duì)傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理的基本要求，但是功能比較單一，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)挖掘的能力弱，基本上沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)校正、數(shù)據(jù)融合和決策分析等功能，難以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求。

今后的努力方向是：在現(xiàn)有工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案，充分利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、智能控制技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、校正補(bǔ)償技術(shù)、軟件工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件友好的人機(jī)接口，使得上位機(jī)軟件具有如下基本功能：能夠直觀地動(dòng)態(tài)顯示無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；能夠直觀地對(duì)各種傳感數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織和管理；能夠便捷地實(shí)現(xiàn)感知子網(wǎng)絡(luò)之間傳感信息的高度共享，能夠便捷地實(shí)現(xiàn)傳感信息的廣域網(wǎng)共享。此外，上位機(jī)軟件必須實(shí)現(xiàn)高度的智能，使之能夠精確地運(yùn)用各種專家知識(shí)進(jìn)行決策分析并計(jì)算控制指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境的精確控制，滿足工廠化設(shè)施農(nóng)業(yè)的應(yīng)用需求。

3.5 傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗問(wèn)題及努力方向

目前，某些傳感器，例如二氧化碳傳感器、聲發(fā)射傳感器、莖流傳感器、莖桿直徑變化量傳感器等，其工作功率較大，使得對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)不太適合使用5號(hào)電池或鋰電池提供電能，需使用太陽(yáng)能電池或市電為之提供電能，這將直接導(dǎo)致相應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的體積過(guò)大和成本過(guò)高，從而限制無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

今后的努力方向是：①促進(jìn)微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，研制低功耗傳感器。②促進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，研制容量大、體積小、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)的新型儲(chǔ)能電池。特別地，研制具有自充電功能的生物電池，具有廣闊的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景。③探索無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與各種傳統(tǒng)遠(yuǎn)程環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端協(xié)同工作的模式，實(shí)現(xiàn)兩者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

3.6 監(jiān)控系統(tǒng)的安全性問(wèn)題及努力方向

迄今為止，所設(shè)計(jì)的各類基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，都沒有涉及系統(tǒng)的安全性問(wèn)題。換言之，現(xiàn)有各類基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)非常不安全的系統(tǒng)，容易遭受各種攻擊。在實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐之前，這是必須解決的問(wèn)題。

今后的努力方向是：針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有通信能力、電源能量、計(jì)算速度、存儲(chǔ)空間受限和傳感器節(jié)點(diǎn)配置密集、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變等特點(diǎn)，為基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)并部署輕量級(jí)安全機(jī)制，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的安全通信。這是未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一個(gè)研究前沿和研究熱點(diǎn)問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，對(duì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述。首先，對(duì)各種形式各異的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行高度抽象，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的通用體系結(jié)構(gòu)，它由感知網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、主干網(wǎng)和用戶網(wǎng)絡(luò)等組成。感知網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)以無(wú)線ad hoc方式構(gòu)成。根據(jù)應(yīng)用需要，感知網(wǎng)絡(luò)可能采用分層分簇的體系結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)現(xiàn)有相關(guān)應(yīng)用研究成果中的典型案例進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述。最后，指出了現(xiàn)有基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的不足，同時(shí)提出了具體的解決方案，指出了未來(lái)的努力方向。論文對(duì)開展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有指導(dǎo)意義。

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