面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

安長華（中國移動天津公司，天津　300100）

面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

安長華
（中國移動天津公司，天津300100）

傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱，有助于改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的弊端。而精細(xì)農(nóng)業(yè)就是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念，是指基于變異的一種田間管理手段。其目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率的同時減少投入，提高產(chǎn)量?；诖?，從農(nóng)業(yè)應(yīng)用環(huán)境對無線信號傳播特性的影響出發(fā)，對面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)方式進(jìn)行研究。

精細(xì)農(nóng)業(yè)；無線傳感器；信號

我國人口眾多，土地的人均占有量嚴(yán)重不足。在保護(hù)好生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上，如何利用有限的土地資源，提高產(chǎn)品的質(zhì)量是當(dāng)前關(guān)注的熱點。精細(xì)農(nóng)業(yè)是以網(wǎng)絡(luò)信息和專業(yè)知識為依據(jù)，以提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量為目標(biāo)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。根據(jù)獲取作物的生長環(huán)境要素（生長的最佳溫度、濕度，風(fēng)向風(fēng)速，日照時間，含水量等）的差異性，區(qū)別對待不同的農(nóng)作物，以提高作物產(chǎn)量、質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。而面向精細(xì)農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)包含哪些是值得研究的。

1　網(wǎng)絡(luò)安全

人類社會存著各種各樣的安全問題，制約著社會的發(fā)展，影響著人類正常的生活。當(dāng)然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中也存在著各種安全威脅。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、范圍廣，但是收到節(jié)點自身的能力的制約。傳感節(jié)點也不一定都是與基站直接進(jìn)行通信的，而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）通常部署在敵對環(huán)境中，所以信息容易被竄改、丟失。所以，網(wǎng)絡(luò)安全是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1無限傳感網(wǎng)絡(luò)存在的安全威脅

在當(dāng)今社會中無限傳感網(wǎng)絡(luò)存在著多種安全威脅，主要有以下幾點：①網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展但缺少健全的運行機(jī)制，給用戶帶來各種不便，導(dǎo)致信息暴露或被非法用戶截獲；②一個節(jié)點遭破壞；③識別偽節(jié)點；④如何向已有傳感器網(wǎng)絡(luò)添加合法的節(jié)點。

1.2解決網(wǎng)絡(luò)安全問題的措施

為了解決網(wǎng)絡(luò)安全問題，應(yīng)該采取積極有效的措施：①任何人未經(jīng)批準(zhǔn)，不得擅自在網(wǎng)站上發(fā)布信息或更改網(wǎng)站頁面版式和內(nèi)容，必須經(jīng)網(wǎng)絡(luò)信息管理部主任審核同意后才能發(fā)布；②上網(wǎng)材料必須是已正式對外公布的文件或資料，未正式對外公布的資料不得上網(wǎng)發(fā)布；③網(wǎng)站密碼由公司網(wǎng)站管理員專人負(fù)責(zé)控制，不準(zhǔn)向任何部門或個人泄露；④網(wǎng)絡(luò)管理員應(yīng)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全，避免網(wǎng)站被病毒、黑客襲擊，如發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站運行不正常時應(yīng)及時處理；⑤設(shè)置雙方加密的形式，每個節(jié)點只設(shè)置一個密鑰，當(dāng)節(jié)點的距離過長時，網(wǎng)絡(luò)會在節(jié)點和基站之間的一個合適的位置選擇節(jié)點，發(fā)送斷也會對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

主控計算機(jī)通過傳感器總線控制器與傳感器總線上的多個節(jié)點通信并實現(xiàn)上層監(jiān)控和決策功能，每個節(jié)點包含一個或多個傳感器執(zhí)行器和總線接口模塊，節(jié)點間的通信方式可以是對等的（Peer-to-Peer）或主從的（master-slave）。

2　信息的處理和電源的使用

信息的處理和電源的使用也是無線傳感器應(yīng)該研究的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的關(guān)鍵。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點的喚醒方式主要有全喚醒模式、隨機(jī)喚醒模式、由預(yù)測機(jī)制選擇喚醒模式、任務(wù)循環(huán)喚醒模式。其中，由預(yù)測機(jī)制選擇喚醒模式是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)跟蹤任務(wù)的需要，選擇性地喚醒對跟蹤精度收益較大的節(jié)點，通過本拍的信息預(yù)測目標(biāo)下一時刻的狀態(tài)，并喚醒節(jié)點。這種模式可以獲得較低的能耗損耗和較高的信息收益。電池?zé)o線充電技術(shù)是特別引入關(guān)注和可能發(fā)展的方向。

3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)是另一項關(guān)鍵技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對協(xié)議結(jié)構(gòu)的期待是：盡量簡化協(xié)議層次，盡量簡練信令方式，盡量利用廣播信息，盡量避免交互應(yīng)答。用簡潔的協(xié)議棧支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的有效運行。其中，區(qū)域覆蓋和路由協(xié)議很重要，到處存在接入可能，節(jié)省系統(tǒng)開銷的路由選擇，有向擴(kuò)散的路由協(xié)議，都是值得研究開發(fā)的。極大量無線傳感器終端的識別和管理，極大量采集數(shù)據(jù)的集中處理和應(yīng)用，也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的值得解決的課題。

3.1容錯機(jī)制

由某種系統(tǒng)控制在一定范圍內(nèi)的一種允許或包容犯錯情況的發(fā)生。在使用電腦的某個程序時，常常會遇到“程序無反應(yīng)”或“程序未響應(yīng)”的情況發(fā)生，此時這個程序便不能在進(jìn)行下去，但經(jīng)常會在幾秒后恢復(fù)到正常使用狀態(tài)。這種“無反應(yīng)”或“未響應(yīng)”幾秒鐘的錯誤狀態(tài)，稱之為“容錯”。

在任何網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都應(yīng)該有個很好的容錯機(jī)制，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也不例外。無線傳感器的節(jié)點經(jīng)常處于敵對的環(huán)境中，很容易產(chǎn)生“容錯”現(xiàn)象，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍比較廣，分布范圍廣，所需節(jié)點的數(shù)量也多，更容易造成系統(tǒng)運行的障礙，維護(hù)起來十分困難。為了保證系統(tǒng)的正常運行，必須建立良好的容錯機(jī)制。常見的容錯系統(tǒng)有多途徑備份、局部恢復(fù)和利用編碼理論等。可以根據(jù)不同的要求，采用不同的容錯機(jī)制。

3.2能量問題

信號的覆蓋范圍較廣，傳感器節(jié)點的分布眾多，并且需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，而且網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般用電池供電，更換電池也是很困難的過程。如何解決傳感器的能量問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的核心內(nèi)容。當(dāng)檢測事件發(fā)生時，傳感器從休眠模式中恢復(fù)正常工作，可以自動適應(yīng)休眠和喚醒，對于突發(fā)事件進(jìn)行處理，這樣便可以節(jié)約能量。這樣既可以滿足系統(tǒng)的需要也可以節(jié)約能量。在滿足系統(tǒng)的要求的情況下，采取降低耗電量是十分重要的。同時，可以使用新型電池（高含電量、自動充電等），滿足傳感器的需要。

3.3數(shù)據(jù)完整性和實時性

網(wǎng)絡(luò)信息也具有時效性和完整性的特點，在網(wǎng)絡(luò)測量數(shù)據(jù)的過程中，應(yīng)該保證信息的完整性和機(jī)密性，預(yù)防黑客對系統(tǒng)的攻擊造成信息的暴露，影響人們的正常生活。信息是具有時效性的，應(yīng)該時刻保證檢測信息的更新、變化，保證信息的隨時更新，確保不會因為信息的滯后而影響人們對農(nóng)業(yè)施肥、灌溉等程序的判斷，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

3.4密鑰管理

為了實現(xiàn)、滿足上面的安全需求，需要對加密密鑰進(jìn)行管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于能源和計算能力的限制，需要在安全級別和這些限制之間維持平衡。密鑰管理應(yīng)包括密鑰分配、初始化階段、節(jié)點增加、密鑰撤銷和密鑰更新。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的前提下也推進(jìn)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)在化，但也存在著諸多的技術(shù)漏洞急需解決。因此，應(yīng)該建立良好的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，合理及時地對信息進(jìn)行處理，完善無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓網(wǎng)絡(luò)推動農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

TN929.5；TP212.9

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1674-7909-（2016）11-44-2