無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

楊斌　沈朗　楊春俊

摘要：我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)的發(fā)展影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了加快農(nóng)業(yè)的發(fā)展步伐，大量高科技被運(yùn)用到農(nóng)業(yè)中，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被有效地運(yùn)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。文章就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)技術(shù)中的應(yīng)用等一系列問題進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)業(yè)；數(shù)據(jù)整合；節(jié)點(diǎn)部署；路由算法 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TP212 文章編號(hào)：1009-2374（2015）29-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.29.023

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用現(xiàn)狀

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有極大的使用價(jià)值，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最早被運(yùn)用于軍事工業(yè)、國(guó)家安全、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)防部及其各軍事部門還專門設(shè)立一系列的軍事傳感網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)的研究。2002年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被應(yīng)用于民用領(lǐng)域。Intel公司公布了一項(xiàng)全新的關(guān)于WSN新型計(jì)算規(guī)劃，主要研究WSN在預(yù)防醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、森林滅火、海底板塊調(diào)查、行星探查等多領(lǐng)域的運(yùn)用。2003年，美國(guó)《商業(yè)周刊》未來技術(shù)專版，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列入未來四大新技術(shù)之中。美國(guó)《今日防務(wù)》雜志刊登了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，給予無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高度評(píng)價(jià)，它會(huì)引起一場(chǎng)劃時(shí)代的軍事技術(shù)變革。繼美國(guó)之后，英國(guó)、日本、意大利、中國(guó)等也紛紛加入研究WSN的行列。2006年，中國(guó)下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程（CNGI）研發(fā)項(xiàng)目中就有無線傳感網(wǎng)絡(luò)。隨著各國(guó)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入研究，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)中一種新的通信模式，對(duì)科技的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，為農(nóng)民服務(wù)。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)全新的通信技術(shù)，對(duì)于它的研究和應(yīng)用還處于初步階段，為了使其發(fā)揮最大功效，我們還需繼續(xù)研究，不斷為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。

2.1 WSN的數(shù)據(jù)整合

WSN數(shù)據(jù)融合能減少網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量，大量節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量，最終能夠延長(zhǎng)WSN的使用時(shí)間。在采集數(shù)據(jù)時(shí)，由于WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)布置稠密，相鄰節(jié)點(diǎn)采集獲得的信息很相似，可以有效地利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力，處理大部分?jǐn)?shù)據(jù)、信息，除掉多余的信息，這種處理方式稱作數(shù)據(jù)融合。

2.2 WSN的節(jié)點(diǎn)部署

在工作中，WSN中各傳感器節(jié)點(diǎn)可動(dòng)態(tài)進(jìn)行布控，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)因電池能量的耗盡或其他原因而停止工作，其他傳感器節(jié)點(diǎn)也會(huì)因臨時(shí)的工作需要而被增添到網(wǎng)絡(luò)中?；诖丝芍?，WSN傳感器節(jié)點(diǎn)具有動(dòng)態(tài)的拓?fù)浣M織功能。如圖1：

圖1 傳感節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)成

2.3 WSN的路由算法

WSN路由協(xié)議的工作主要是在傳感器節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間設(shè)立路由，以便于數(shù)據(jù)傳遞。WSN路由應(yīng)用于農(nóng)業(yè)中會(huì)受到能耗、網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)增加節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)融合等因素影響。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)設(shè)施也一步步改善，對(duì)于應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的WSN路由也提出了更高的要求，需設(shè)計(jì)出更新型的路由協(xié)議，以適應(yīng)快速發(fā)展的農(nóng)業(yè)需要，使路由協(xié)議發(fā)揮最大功效。對(duì)此，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)肖德琴對(duì)新型路由協(xié)議做了研究，提出“基于精細(xì)化梯度的能量有效動(dòng)態(tài)水分傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢的算法”，這樣能減少網(wǎng)絡(luò)的能耗，讓路由協(xié)議更好地為農(nóng)業(yè)服務(wù)。

2.4 WSN的節(jié)能問題

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中需要大量的電池支持運(yùn)行，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、密集。在工作時(shí)，我們時(shí)常更換電池會(huì)很麻煩，經(jīng)常更換電池會(huì)影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行工作。為此，如何提高電池利用率和有效地節(jié)能是我們急需克服的問題。一些學(xué)者對(duì)節(jié)能問題作了研究，也提出了一些好的節(jié)能辦法?？偟母爬楦淖兟酚煞绞胶蛢?yōu)化路由算法。

2.4.1 改變路由方式：紀(jì)金堡倡導(dǎo)“A-LEACH”協(xié)議路由方式，能優(yōu)化MAC層協(xié)議。該協(xié)議方式主要關(guān)注節(jié)點(diǎn)剩余量等方面的簇頭選擇方法，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用時(shí)間，有效地提高了網(wǎng)絡(luò)能量的利用效率。

2.4.2 優(yōu)化路由算法：崔海霞等人改進(jìn)了S-MAC協(xié)議，節(jié)點(diǎn)設(shè)置在偵聽與睡眠間互相切換，大大減少干擾的面積，節(jié)省大量的能量，在偵聽時(shí)用最有優(yōu)勢(shì)的發(fā)生功率發(fā)送數(shù)據(jù)和操控信息。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起重視的問題

當(dāng)前，為了很好地將WSN廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，研究者對(duì)WSN的研究已經(jīng)取得了一些成績(jī)。但是隨著科技的不斷發(fā)展，WSN的一些問題也隨之而產(chǎn)生，我們需要用發(fā)展的、動(dòng)態(tài)的眼光看待WSN，不斷發(fā)現(xiàn)新問題，不斷解決新問題，推動(dòng)WSN的快速發(fā)展。

（1）WSN與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議之間的相融問題，特別需要注意的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的相融問題。（2）迫切需要研發(fā)新型低功耗傳感器：當(dāng)前使用的傳感器節(jié)點(diǎn)主要是針對(duì)氣溫溫度節(jié)點(diǎn)、土壤溫濕度節(jié)點(diǎn)、土壤電導(dǎo)節(jié)點(diǎn)、光照度、二氧化碳濃度等，這些節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的信息不能面面俱到，它們只能監(jiān)測(cè)到生物生長(zhǎng)的一些環(huán)境信息。除此之外，一些傳感器需要大量的工作電壓（莖流傳感器、莖桿直徑變化量傳感器），一些電池是無法支持其運(yùn)行的。為此，我們需要研制出一款新型低功耗傳感器。（3）WSN網(wǎng)絡(luò)安全問題。WSN網(wǎng)絡(luò)安全問題是值得注意的問題，研究者應(yīng)該研究出一些安全措施，輔助WSN使用，如密碼技術(shù)、密鑰管理、入侵檢測(cè)、安全路由等安全措施輔助WSN工作。（4）WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的定位問題。在WSN工作時(shí)，如何定位傳感器節(jié)點(diǎn)也是急需解決的問題，因?yàn)閭鞲衅鞴?jié)點(diǎn)會(huì)在WSN使用中增加或受到一些干擾而停止工作。只有科學(xué)地定位傳感器節(jié)點(diǎn)，準(zhǔn)確掌握傳感器節(jié)點(diǎn)的位置，才能在事故發(fā)生時(shí)及時(shí)予以解決。（5）WSN 3G通信技術(shù)的應(yīng)用。當(dāng)前，3G技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，3G技術(shù)能傳遞數(shù)據(jù)、視頻、音頻等信息，把3G技術(shù)有效地使到WSN中可以提升系統(tǒng)的容量、提高通信的質(zhì)量、提升傳輸?shù)乃俣取Ｎ覀儗⑴Π裌SN與Internet聯(lián)系起來，為移動(dòng)終端客戶提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。（6）覆蓋和連通問題是節(jié)點(diǎn)部署的重要問題：當(dāng)前，我們?cè)诙S結(jié)構(gòu)下部署傳感器節(jié)點(diǎn)，將來會(huì)在三維結(jié)構(gòu)中布置傳感器節(jié)點(diǎn)，那么所面臨的困難就會(huì)更大。為此，我們要重視對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)部署問題的研究，制造出更好的感知模型研究傳感器節(jié)點(diǎn)的部署。

4 結(jié)語

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)又對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展有極高的應(yīng)用價(jià)值，為此，我們極為重視無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。國(guó)家和一些研究機(jī)構(gòu)投入很大的精力去研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相信隨著研究的逐漸深入，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用范圍會(huì)越來越廣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的前景會(huì)越來越好。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：楊斌（1977-），陜西扶風(fēng)人，云南省電子工業(yè)研究所工程師，研究方向：電子技術(shù)。

（責(zé)任編輯：陳 倩）