大數(shù)據(jù)時(shí)代無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)展

宋永嘉 劉賓 魏暄云 巴超 衡家然

摘要：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是21世紀(jì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，對(duì)于推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)發(fā)展與農(nóng)村建設(shè)具有重要戰(zhàn)略價(jià)值。近年來，隨著大數(shù)據(jù)的全球風(fēng)靡與不斷創(chuàng)新，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，首先就大數(shù)據(jù)基本內(nèi)涵、研究進(jìn)展與行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，論述精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念、技術(shù)體系及其實(shí)施流程;隨后總結(jié)并概括無線傳感技術(shù)框架的物理組件、節(jié)點(diǎn)類型和技術(shù)特征，重點(diǎn)評(píng)述無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究概況;最后系統(tǒng)分析了大數(shù)據(jù)時(shí)代下無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用案例，并對(duì)未來行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行簡(jiǎn)要展望。本研究立足于大數(shù)據(jù)背景下，對(duì)于提升、豐富我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)方法具有一定參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);無線傳感技術(shù);大數(shù)據(jù);物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2021）08-0031-07

收稿日期：2020-10-09

基金項(xiàng)目：河南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃（編號(hào)：19IRTSTHN030）。

作者簡(jiǎn)介：宋永嘉（1968—），女，河北冀州人，教授，主要從事水利工程、水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：songyongjia@ncwu.edu.cn。

通信作者：劉 賓，碩士研究生，主要從事水利工程研究。E-mail：liubindwy@163.com。

人類社會(huì)的農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了如下發(fā)展階段：以人力和牲畜為動(dòng)力的原始農(nóng)業(yè)1.0時(shí)代，以機(jī)械動(dòng)能為代表的傳統(tǒng)工業(yè)化農(nóng)業(yè)2.0時(shí)代，多類型自動(dòng)控制裝備為主的新型自動(dòng)化工業(yè)3.0時(shí)代，新型工業(yè)化農(nóng)業(yè)3.0時(shí)代，以物聯(lián)網(wǎng)、云存儲(chǔ)以及大數(shù)據(jù)為代表的新興智能化農(nóng)業(yè)4.0時(shí)代[1]。黨的十九大報(bào)告指出：“實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，要堅(jiān)持農(nóng)業(yè)農(nóng)村優(yōu)先發(fā)展，按照產(chǎn)業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風(fēng)文明、治理有效、生活富裕的總要求，建立健全城鄉(xiāng)融合發(fā)展體制機(jī)制和政策體系，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化”，這標(biāo)志著以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、智能為發(fā)展目標(biāo)的農(nóng)業(yè)4.0時(shí)代正式來臨。截至2019年底，我國農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率突破70%，小麥、水稻、玉米三大主產(chǎn)糧食作物生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，目前我國農(nóng)業(yè)整體水平基本處于3.0時(shí)代初期，產(chǎn)業(yè)化、信息化以及可持續(xù)化是我國農(nóng)業(yè)邁入4.0時(shí)代的基本內(nèi)涵與核心理念。如何深入推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程，助力于當(dāng)前鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)建設(shè)與農(nóng)民生活水平提升，是長(zhǎng)期以來從事農(nóng)村區(qū)域發(fā)展相關(guān)研究以及社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)議題之一[2-4]。

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（precision agriculture，簡(jiǎn)稱PA）、精細(xì)化作物管理（precision crop management，簡(jiǎn)稱 PCM），出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代后期，以遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)和微電子自動(dòng)控制技術(shù)為技術(shù)優(yōu)勢(shì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械機(jī)電一體化設(shè)備、農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)控設(shè)備以及田面地理信息智能捕獲設(shè)備等一系列數(shù)字化裝置為農(nóng)作物的精細(xì)化管理提供了可能，從而為進(jìn)一步推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展水平、緩解日益趨緊的資源與環(huán)境約束指明了全新的路徑選擇[5]。近年來，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在農(nóng)田信息獲取方面取得一系列顯著進(jìn)展，特別是基于遙感定位監(jiān)測(cè)[6]、無人機(jī)低空攝影、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程無線傳感以及多源數(shù)據(jù)挖掘整合等一系列新興信息化技術(shù)的運(yùn)用與融合，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式的大面積、跨地域的規(guī)?；茝V實(shí)施創(chuàng)造了有利條件。被稱為科學(xué)研究的第四范式，即基于大數(shù)據(jù)技術(shù)下的密集型計(jì)算研究模式，實(shí)現(xiàn)了人類社會(huì)從經(jīng)驗(yàn)研究模式、理論研究模式到模擬研究模式的突破，成為21世紀(jì)科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的顯著標(biāo)志[7]。它由于具有海量數(shù)據(jù)集合性能（volume）、超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力（velocity）、數(shù)據(jù)類型多樣性形式（variety）以及數(shù)據(jù)所帶來的巨大價(jià)值（value），即“4V”特征，為各行業(yè)數(shù)據(jù)獲取、綜合應(yīng)用與決策支持提供了重要保障。盡管目前國內(nèi)外關(guān)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)研究已經(jīng)取得一系列重要進(jìn)展，但是對(duì)于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用方面尚處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)也較少。因此，探討大數(shù)據(jù)時(shí)代下新興數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，特別是無線傳感器在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究概況、應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來前景，對(duì)于促進(jìn)我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用推廣具有重要價(jià)值。

1 大數(shù)據(jù)時(shí)代下精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)框架

1.1 大數(shù)據(jù)基本內(nèi)涵與行業(yè)發(fā)展

1.1.1 大數(shù)據(jù)的概念及研究進(jìn)展 自21世紀(jì)以來，隨著資訊類型與規(guī)模劇增，數(shù)據(jù)以前所未有的速度與數(shù)量加速積累，人類社會(huì)正式進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析為中心的傳統(tǒng)學(xué)科（諸如基因組學(xué)、信息科學(xué)、天體物理學(xué)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)科學(xué)等），其數(shù)據(jù)來源與渠道呈現(xiàn)出多元化，催生了有效整合與深度挖掘多源海量數(shù)據(jù)的現(xiàn)實(shí)需求;與此同時(shí)，谷歌、臉書、百度、阿里巴巴等全球知名互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)巨頭所運(yùn)營(yíng)與處理的客戶信息逐漸增加，已經(jīng)相繼突破TB級(jí)別，達(dá)到了PB，甚至 EB數(shù)量級(jí)規(guī)模。大數(shù)據(jù)的定義為利用常用軟件工具獲取、管理和處理數(shù)據(jù)所耗時(shí)間超過可容忍時(shí)間的數(shù)據(jù)集合，其結(jié)果必須借助計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比對(duì)與解析。大數(shù)據(jù)的興起與應(yīng)用引起了學(xué)術(shù)界的高度重視，2008年《Nature》出版發(fā)行了《Big Data》?？?，重點(diǎn)探討大數(shù)據(jù)對(duì)于經(jīng)濟(jì)學(xué)、超級(jí)計(jì)算與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等領(lǐng)域帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn);2011年《Science》也推出《Dealing with Data》專欄，就大數(shù)據(jù)理論研究過程中存在的一系列重大爭(zhēng)議性議題進(jìn)行了探討，指出了大數(shù)據(jù)對(duì)未來科學(xué)研究與大眾生活的重要應(yīng)用價(jià)值[8]。2012年，歐洲信息學(xué)與數(shù)學(xué)研究協(xié)會(huì)會(huì)刊《ERCIM News》出版專刊《Big Data》，探討大數(shù)據(jù)時(shí)代下密集型數(shù)據(jù)管理以及數(shù)據(jù)獲取技術(shù)等重大問題，并介紹了歐洲科研機(jī)構(gòu)所取得的最新進(jìn)展[9]。在此背景下，2012年6月由中國計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)青年計(jì)算機(jī)科技論壇組織舉辦的以“大數(shù)據(jù)時(shí)代，智謀未來”為主題的學(xué)術(shù)研討會(huì)，就國內(nèi)外大數(shù)據(jù)挖掘處理、技術(shù)體系構(gòu)建、平臺(tái)開發(fā)與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用案例最新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)討論，為我國大數(shù)據(jù)領(lǐng)域后續(xù)研究奠定了良好基礎(chǔ)。

1.1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)行業(yè)發(fā)展與應(yīng)用 在應(yīng)用方面，大數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)與平臺(tái)建設(shè)也取得了重要突破。2011年麥肯錫公司發(fā)布了題為《Big data：the next frontier for innovation，competition and productivity》的評(píng)估報(bào)告，全面分析大數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前全人類生活習(xí)慣、工作方式以及技術(shù)研究領(lǐng)域所產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響。2012年1月召開的世界達(dá)沃斯經(jīng)濟(jì)論壇上更是將大數(shù)據(jù)作為其中的重要議題，并發(fā)布了《Big data，big impact：new possibilities for international development》的特別報(bào)告，將個(gè)人移動(dòng)數(shù)據(jù)的融合利用與隱私保護(hù)提上議事日程。2012年3月，美國奧巴馬聯(lián)邦政府正式提出大數(shù)據(jù)研究與發(fā)展計(jì)劃，旨在運(yùn)用大數(shù)據(jù)思維與技術(shù)方案解決全球環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域重大問題。2013年5月聯(lián)合國框架下的Global Pulse項(xiàng)目正式發(fā)布名為《Big data for development：challenges and opportunities》的全球性發(fā)展評(píng)估報(bào)告，指出大數(shù)據(jù)時(shí)代下各國在海量數(shù)據(jù)獲取與處理方面所面臨的重大機(jī)遇與新的挑戰(zhàn)。中國也在2016年底推出《大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》，以期建立技術(shù)產(chǎn)品先進(jìn)可控、應(yīng)用能力顯著增強(qiáng)、生態(tài)體系繁榮發(fā)展、數(shù)據(jù)安全保障有力的總體目標(biāo)[10]。

1.2 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系概述

1.2.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)體系總體框架 由于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)具有跨學(xué)科、集成化和以應(yīng)用為基本導(dǎo)向的典型特征，目前研究學(xué)界對(duì)其概念尚未形成統(tǒng)一共識(shí)，Zhang等認(rèn)為，所謂精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基本內(nèi)涵是指基于各類作物與生長(zhǎng)環(huán)境的時(shí)空差異性，運(yùn)用各種信息化技術(shù)要素、裝備平臺(tái)等獲取農(nóng)田單位信息，并由此利用變量控制策略實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的精細(xì)化管理[5]。楊曉北認(rèn)為，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是以3S技術(shù)（遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)）為技術(shù)支撐，合理、高效利用農(nóng)業(yè)資源，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，以改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展為最終目的，最終完成雙高一優(yōu)（高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)）的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)目標(biāo)的技術(shù)體系與發(fā)展模式[11]。由此可推測(cè)，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)框架下，農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者依據(jù)地塊土壤、氣候、水肥、病害以及作物產(chǎn)量等差異性，進(jìn)行綜合化、集中式育苗、耕種、施肥、灌溉以及收割等全流程信息化管理調(diào)控，以期以較低的投入獲取經(jīng)濟(jì)、社會(huì)與環(huán)境等各類效益的最大化，同時(shí)兼顧當(dāng)?shù)丨h(huán)境承載容量與資源稟賦的差異[12]。

1.2.2 實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)基本流程 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的實(shí)施流程主要包括稟賦差異評(píng)估、生產(chǎn)過程管控以及綜合效益預(yù)測(cè)3個(gè)主要步驟[13]。國內(nèi)相關(guān)學(xué)者則進(jìn)一步將精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的工作主體步驟劃分為農(nóng)田信息獲取、信息管理分析與決策制定及實(shí)施等部分[5，14]，奠定了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的行業(yè)發(fā)展方向與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。因此，本研究主要參照上述步驟進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

1.2.2.1 農(nóng)田信息獲取 作為實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的根本前提，基本農(nóng)田信息對(duì)于農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)狀況與最終產(chǎn)量具有決定性影響，高密度、高分辨率、快速且成本低廉的信息獲取技術(shù)方案對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用推廣具有重要意義[15]。由于農(nóng)田信息來源與類型的復(fù)雜性與多樣性，目前從技術(shù)層面已經(jīng)具有一定的應(yīng)用推廣的農(nóng)田信息獲取技術(shù)主要針對(duì)于農(nóng)田土壤、作物、微氣象、病蟲害以及極端災(zāi)害等方面，而主流獲取方法則包括常規(guī)田野調(diào)查、基于全球定位系統(tǒng)（GPS）定位定期監(jiān)測(cè)、遙感及無人機(jī)多源影像監(jiān)測(cè)以及無線傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)等。（1）常規(guī)田野調(diào)查，通常采用網(wǎng)格式全面采樣調(diào)查，側(cè)重對(duì)土壤信息進(jìn)行化驗(yàn)測(cè)試與分析，按照精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求，一般采取100 m×100 m設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)[16]，該方法要耗費(fèi)大量人力、物力，通常作為某一地塊的基底性評(píng)估。（2）GPS定位定期監(jiān)測(cè)，通過GPS對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行地理位置定位，并將其導(dǎo)入地理信息系統(tǒng)（GIS），可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)田地塊空間矢量化、插值化、可視化等處理，為農(nóng)田信息的科學(xué)管理與制定耕作計(jì)劃提供重要參考，目前關(guān)于這一方面已經(jīng)具備較為成熟的技術(shù)，相關(guān)文獻(xiàn)資料已經(jīng)大量見于報(bào)端[17-19]。（3）遙感及其無人機(jī)等多源影像監(jiān)測(cè)，主要通過遙感、無人機(jī)、三維激光掃描等各類攝影成像技術(shù)，獲取較大范圍內(nèi)農(nóng)田基礎(chǔ)信息資料，彌補(bǔ)常規(guī)人為采樣調(diào)查及GPS定位定期監(jiān)測(cè)的不足，同時(shí)引入無人機(jī)與三維激光掃描等高精度且具有較強(qiáng)即時(shí)性的遙感成像技術(shù)，給精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的決策服務(wù)提供了更為準(zhǔn)確與有力的技術(shù)支撐[20-21]。（4）無線傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)，集傳感器、微處理器以及無線通信為一體的遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，可大幅降低精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施過程中的人力、物力消耗，已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)信息化、智能化研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

1.2.2.2 信息管理與分析 將各類農(nóng)田基本信息收集獲取完成后，需要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)處理、分類、運(yùn)算與分析，針對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施過程中所涉及的農(nóng)田信息的復(fù)雜性、多源性以及可操作性，常規(guī)的信息管理與分析方法主要借助GIS系統(tǒng)，通過其強(qiáng)大的地理位置定位、空間插值以及地統(tǒng)計(jì)等分析方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田信息管理的可視化、動(dòng)態(tài)化以及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等多重功能[17-19，22]。目前，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于遺傳算法[23]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]、模糊運(yùn)算[25]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型[26]以及計(jì)算機(jī)視覺和人工智能語言[27]等方法的應(yīng)用，極大地拓展了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施過程中信息深度挖掘與處理能力。

1.2.2.3 決策制定及實(shí)施 綜合不同來源、途徑所獲取的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)與資料，在完成系統(tǒng)的信息處理分析之后制定的農(nóng)業(yè)發(fā)展決策是執(zhí)行精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心環(huán)節(jié)，對(duì)整個(gè)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)既定目標(biāo)與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代發(fā)展進(jìn)程具有決定性作用。目前，在決策制定與具體實(shí)施過程中相關(guān)學(xué)者、工程技術(shù)人員不斷總結(jié)，并借鑒其他行業(yè)相關(guān)技術(shù)，土壤營(yíng)養(yǎng)反演模型[28]、作物生產(chǎn)模擬模型[29]、專家評(píng)估模型[30]及綜合決策樹模型等方法相繼出現(xiàn)，對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的決策制定具有重要的促進(jìn)作用。然而，由于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)自身的時(shí)空異質(zhì)性，特別是土壤肥力在其剖面垂直和水平的差異性以及降水、降雪等不同氣象因子的極端不規(guī)律性都將為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)在實(shí)施過程中造成嚴(yán)重的干擾，因此，研發(fā)設(shè)計(jì)、不斷積累創(chuàng)新基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)于提升精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息化、智能化與集成化水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征及其研究概況

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系

2.1.1 無線傳感器關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)與類型 無線傳感器技術(shù)是指基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識(shí)別而逐漸發(fā)展起來的無線近、中程信息傳輸技術(shù)，原為出于識(shí)別目的而開發(fā)的射頻識(shí)別（RFID）設(shè)備，逐漸發(fā)展成為一系列具有信息交換能力的RFID傳感器設(shè)備。 與RFID相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）允許存在不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投嗵ㄐ艆f(xié)議，因而被美國Bloomberg《Businessweek》雜志在1999年評(píng)為21世紀(jì)最有影響改變世界的十大技術(shù)之一。目前，市面上主流的傳感器設(shè)備多由其控制節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)在路由協(xié)議與介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議共同控制下創(chuàng)建無線專用網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)諸如土壤-作物系統(tǒng)溫度、濕度以及其他氣象因子等基本信息的自動(dòng)采集與傳輸至服務(wù)器。換句話說，控制節(jié)點(diǎn)是無線傳感器的基本物理單元，按照其分工性能劃分，可將其稱為傳感器節(jié)點(diǎn)（sener node，簡(jiǎn)稱SeN）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node，簡(jiǎn)稱SiN）和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（gateway node，簡(jiǎn)稱GwN）3個(gè)類型。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)主要對(duì)土壤、微氣象、微生物活動(dòng)、作物生長(zhǎng)狀態(tài)等基本參數(shù)進(jìn)行采集、初步處理，并且完成對(duì)其融合、歸類與路由傳輸，最終將上述多類數(shù)據(jù)信息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn);匯聚節(jié)點(diǎn)的核心功能是將由傳感器節(jié)點(diǎn)獲取的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行匯編處理后，發(fā)送至服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸中轉(zhuǎn)站;而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則作為面向用戶操作的控制終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)展示以及輔助決策系統(tǒng)構(gòu)建。從物理部件來看，上述節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、微處理器模塊、能源供給模塊以及無線通信模塊構(gòu)成。其中傳感器模塊的主要功能在于為不同傳感器節(jié)點(diǎn)提供可擴(kuò)展接口;微處理器模塊則用于處理各傳感器節(jié)點(diǎn)的協(xié)調(diào)，并完成部分通信協(xié)議;能源供給模塊是為傳感器不同節(jié)點(diǎn)提供電源的能源中樞;無線通信模塊則用于創(chuàng)建傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線通信協(xié)議，承接并轉(zhuǎn)譯由傳感器所采集的各類信息數(shù)據(jù)。

2.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特征

2.1.2.1 具備多跳路由通信協(xié)議 無線傳感器的通信原理是建立在各核心物理組件以及不同類型控制節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)之上，具有建立多跳路由通信協(xié)議的能力，沒有采用傳統(tǒng)控制器局域網(wǎng)（control area network，CAN）的專用通信網(wǎng)絡(luò)。各控制節(jié)點(diǎn)通過能源供給模塊提供穩(wěn)定的能源保障，進(jìn)而大幅改善了無線傳感器自動(dòng)控制與數(shù)據(jù)采集的工作效率與整體精度，為大規(guī)模的農(nóng)業(yè)環(huán)境應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

2.1.2.2 具有動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系 在日常工作情景下，不同功能的控制節(jié)點(diǎn)需要就工作任務(wù)的變化而不斷調(diào)整、加入或退出個(gè)別節(jié)點(diǎn)，具備動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的無線傳感器可以根據(jù)上述改變進(jìn)行無人監(jiān)控下準(zhǔn)確預(yù)測(cè)與分析，進(jìn)而提升了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化信息處理能力。

2.1.2.3 自組織與無中心特性 由于無線傳感器具有多跳路由與動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，各控制節(jié)點(diǎn)通過分布式邏輯算法協(xié)調(diào)工作環(huán)境下各自的通信網(wǎng)絡(luò)，彼此具有相對(duì)平等的關(guān)系，具備強(qiáng)大的自組織和無中心特性，因而無需人為干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)組網(wǎng)，即表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗毀性與健壯性。

2.1.2.4 低成本、低價(jià)格與低能耗 對(duì)面向大范圍精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境而言，低成本、低價(jià)格和低能耗使無線傳感技術(shù)在眾多的新型信息技術(shù)之中脫穎而出，表現(xiàn)出巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用潛力。目前的傳感器大多基于ZigBee（紫蜂）技術(shù)研發(fā)制成，技術(shù)上已經(jīng)日臻成熟，價(jià)格已經(jīng)大幅下挫，而核心組件的控制節(jié)點(diǎn)多采用電池供電，能耗上也急劇降低，為農(nóng)業(yè)環(huán)境領(lǐng)域提供了道路。

2.2 無線傳感技術(shù)研究概況

2.2.1 無線傳感器在國外研究現(xiàn)狀 早在2003年，美國國家8科學(xué)基金委員會(huì)（national science foundation，簡(jiǎn)稱NSF）首次全面制定無線傳感技術(shù)研究規(guī)劃，重點(diǎn)研究方向包括傳感器網(wǎng)絡(luò)特征、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)查詢以及安全保障等議題;在此推動(dòng)下，美國加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、加州理工學(xué)院、麻省理工學(xué)院等知名學(xué)府與研究機(jī)構(gòu)開創(chuàng)了傳感器技術(shù)基礎(chǔ)理論和核心技術(shù)的研究先河，隨后英國、日本、中國、德國等國家相繼成立或拓展相應(yīng)研究組織，促進(jìn)了無線傳感技術(shù)從核心理論到應(yīng)用研究的發(fā)展步伐。鑒于目前無線傳感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于遙感、環(huán)境、地質(zhì)及其生物監(jiān)測(cè)方面，本文側(cè)重于對(duì)其在農(nóng)業(yè)，尤其是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究進(jìn)展進(jìn)行論述，以期探究基于無線傳感技術(shù)下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的實(shí)施路徑。新西蘭運(yùn)用傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)當(dāng)?shù)仄咸褕@發(fā)生霜凍的潛在風(fēng)險(xiǎn)，并基于其數(shù)據(jù)制訂相應(yīng)的果園防護(hù)策略。澳大利亞在農(nóng)場(chǎng)灌溉、施肥與牧群活動(dòng)方面進(jìn)行無線傳感器監(jiān)測(cè)，為牧區(qū)精準(zhǔn)管理提供了較為成功的應(yīng)用案例。就精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面，特別是土壤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、微氣象動(dòng)態(tài)監(jiān)控、作物日常生長(zhǎng)特征以及結(jié)合無人機(jī)低空攝影等方面，無線傳感技術(shù)也取得了豐碩研究成果，一系列綜述報(bào)告、專業(yè)論文[31]相繼正式發(fā)表，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)進(jìn)入傳感大數(shù)據(jù)時(shí)代奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。近5年來，在大數(shù)據(jù)技術(shù)的引領(lǐng)下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[32]、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)[33]、智能便攜式設(shè)備[34]的不斷融合創(chuàng)新，為無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用指明了新的方向。

2.2.2 無線傳感器在國內(nèi)研究現(xiàn)狀 從國內(nèi)無線傳感技術(shù)的研究脈絡(luò)來看，我國在該領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)度與國外研究基本保持同步。早在1999年由中國科學(xué)院組織發(fā)布的《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》中首次將無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用提升至國家科技發(fā)展戰(zhàn)略高度，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為“五大重點(diǎn)研究項(xiàng)目”，為我國無線傳感技術(shù)研究領(lǐng)域開啟了良好的開端[35]。自2002年起，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)與高校，諸如中國科學(xué)院電子所、自動(dòng)化所、軟件所及清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等在無線傳感器基礎(chǔ)研究與多場(chǎng)景應(yīng)用等方面取得一系列進(jìn)展。2004年，“面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自治系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)調(diào)控制理論”被評(píng)為中國國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，標(biāo)志著我國無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究邁入實(shí)質(zhì)性發(fā)展階段;2006年，國家科學(xué)基金將水下移動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)也列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目，對(duì)于我國無線傳感技術(shù)體系構(gòu)建做出了重要貢獻(xiàn)[36]。同年期間，國務(wù)院制定并頒布的《國家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》中，將傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理列為重點(diǎn)領(lǐng)域下的優(yōu)先主題，凸顯了無線傳感技術(shù)的重要戰(zhàn)略意義。2008年9月11日，代表我國無線傳感技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域最高水準(zhǔn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)工作組正式成立，預(yù)示著我國深入?yún)⑴c該行業(yè)國際標(biāo)準(zhǔn)活動(dòng)，為全球無線傳感技術(shù)的全面發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。在具體研究方面，國內(nèi)學(xué)者已初步完成對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境下土壤濕度、溫度、pH值、含水率、密度、有機(jī)質(zhì)等基礎(chǔ)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)[37-40]，在作物需水指標(biāo)的檢測(cè)方面也取得階段性進(jìn)展[41]。

3 大數(shù)據(jù)下無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

3.1 旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉精細(xì)化管理

眾所周知，制約旱區(qū)、半干旱區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因子為水分供給，因而在不同種植模式、作物類型下的灌溉耗水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及全周期測(cè)算分析對(duì)于確保旱區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有舉足輕重的現(xiàn)實(shí)意義。Kim等通過自行設(shè)計(jì)的可變速灌溉設(shè)施，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組件和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件，研發(fā)出一套可根據(jù)土壤濕度變化而自動(dòng)感測(cè)與實(shí)時(shí)控制的智能灌溉系統(tǒng)[42]。Harun等基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT），初步搭建精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，通過硬件組件、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及軟件過程實(shí)現(xiàn)對(duì)其精密控制與信息收集，并且在反饋回路中分析和監(jiān)控來自傳感器數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)先計(jì)算結(jié)果激活控制程序設(shè)備閾值[43]。Sadiq等設(shè)計(jì)由傳感器和微控制器為物理核心組件，運(yùn)用RFID模塊收集、傳輸傳感器數(shù)據(jù)，并將其通過Arduino Nano和繼電器與控制單元相銜接，農(nóng)戶基于上述自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)可設(shè)定特定作物所需要的水位，提供可承受的低成本、低功耗旱區(qū)灌溉解決方案[44]。高軍等將ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS（通用分組無線服務(wù)）空間信息處理系統(tǒng)相結(jié)合組建節(jié)水灌溉系統(tǒng)，采用CC2530為無線節(jié)點(diǎn)，以單片機(jī)為控制核心、無線路由節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心為核心物理基礎(chǔ)，實(shí)施對(duì)土壤墑情和作物用水狀況精準(zhǔn)管理[45]。聞?wù)湎嫉妊邪l(fā)設(shè)計(jì)一套精準(zhǔn)滴灌智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)依據(jù)作物生長(zhǎng)需求狀態(tài)，實(shí)施定量定點(diǎn)、精準(zhǔn)施肥與實(shí)時(shí)滴灌等一系列自動(dòng)控制管理，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)于增產(chǎn)增效、節(jié)水節(jié)肥和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的戰(zhàn)略考量[46]。

3.2 農(nóng)業(yè)綜合環(huán)境自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)容易受氣象、水肥、病蟲害、地質(zhì)災(zāi)害以及市場(chǎng)波動(dòng)等諸多因素的影響[47]。因此，開發(fā)并研制適應(yīng)于農(nóng)業(yè)場(chǎng)景的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景，國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域針對(duì)上述問題開展了大量應(yīng)用研究與實(shí)踐探索。Abd El-Kader等基于APTEEN（能量有效的閾值敏感路由協(xié)議）對(duì)埃及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施過程無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)回溯與整理，在馬鈴薯種植的適應(yīng)性、施肥規(guī)劃、病蟲害防治以及精準(zhǔn)灌溉管理等方面，取得豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[48]。Srbinovska等將 RTK-GPS （載波相位差分技術(shù)-全球定位系統(tǒng)）、電導(dǎo)率測(cè)試儀、WATERMARK（水?。o線傳感器集成構(gòu)成農(nóng)業(yè)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，研制并測(cè)試土壤溫度自動(dòng)測(cè)試狀況，結(jié)果表明，傳感器在精度具有較高水平（R2=0.85）[49]。Feng等對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、遠(yuǎn)程專用網(wǎng)（LoRa-CNN）以及ZigBee無線通信技術(shù)的3款無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用效果展開測(cè)試，結(jié)果表明，ZigBee技術(shù)是非常適應(yīng)于設(shè)施農(nóng)業(yè)的信息采集方式，而 NB-IoT 和LoRa-CNN技術(shù)在田野尺度的集約式農(nóng)業(yè)環(huán)境下具有更為顯著的優(yōu)勢(shì)[32]。Zervopoulos等將傳感器節(jié)點(diǎn)接到網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議同步化處理，并將其應(yīng)用于希臘科孚島（Corfu island）的橄欖林精準(zhǔn)管理之中，實(shí)現(xiàn)了相對(duì)濕度、氣溫、紫外線輻射及土壤含水率的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)[50]。楊瑋等設(shè)計(jì)并研制以ZigBee 無線微型控制器、JN5139-M01 模塊為核心的溫室無線智能傳感網(wǎng)絡(luò)智能控制終端，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境諸因子（土壤溫度、土壤水分等）的數(shù)據(jù)采集和有效控制[51]。

3.3 作物生長(zhǎng)生理實(shí)時(shí)化監(jiān)控

除了對(duì)上述農(nóng)業(yè)用水與環(huán)境監(jiān)測(cè)之外，無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用還體現(xiàn)在作物生長(zhǎng)、生理自動(dòng)化、智能化監(jiān)控方面。Bencini等自行設(shè)計(jì)了一套無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（該系統(tǒng)由GPRS子系統(tǒng)、控制處理器及全球決策分析子系統(tǒng)組成），對(duì)意大利和法國3處葡萄園展開生理與病蟲害實(shí)地監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較為準(zhǔn)確地反映葡萄生產(chǎn)周期等基本參數(shù)變化，能初步達(dá)到自動(dòng)化監(jiān)管的目的[52]。Jiang等設(shè)計(jì)一套基于具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的收斂樹算法（DCTA）的無線傳感系統(tǒng)，對(duì)臺(tái)灣地區(qū)某蘭花溫室種植園進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明該算法能夠可靠地收集蘭花生理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，整個(gè)試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)平均成功傳送率達(dá)到92.5%[53]。Zhao等開發(fā)了一款多功能葉片生理參數(shù)監(jiān)測(cè)的連續(xù)式小型無線傳感器，該裝置能夠較為靈敏地捕獲葉片溫度、水化、光照度等指標(biāo)變化，無論在室內(nèi)還是室外環(huán)境均表現(xiàn)出較高的精度與適應(yīng)性[54]。高峰等基于無線傳感器技術(shù)，研制出作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息采集節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)部署、數(shù)據(jù)自組織傳輸，可以實(shí)時(shí)、精確獲取作物需水信息，包括引起作物水分虧缺的環(huán)境信息（例如溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度等）以及水分虧缺時(shí)作物水分生理指標(biāo)微變化信息等，具有功耗低、成本低廉、魯棒性好、擴(kuò)展靈活等優(yōu)點(diǎn)[41]。

4 展望

盡管無線傳感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)取得一系列重要進(jìn)展，特別是近5年來隨著大數(shù)據(jù)思維、技術(shù)以及研究范式的引入、融合與創(chuàng)新應(yīng)用，基于物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能及其智能設(shè)備等新興信息技術(shù)的無線傳感系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)獲取、傳輸轉(zhuǎn)換以及存儲(chǔ)管理等方面已經(jīng)具有明顯進(jìn)步，對(duì)于農(nóng)業(yè)環(huán)境、作物生理等方面的監(jiān)測(cè)效度、精度與適應(yīng)性具有明顯提升。然而，由于農(nóng)業(yè)-作物系統(tǒng)所具有的高度異質(zhì)性、極端變化性及監(jiān)測(cè)長(zhǎng)期性等問題，導(dǎo)致無線傳感器在某些特定參數(shù)（例如土壤肥力、農(nóng)作物光飽和指數(shù)等）的應(yīng)用存在較大困難。另外，由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有多通信融合困難、傳感器自身成本及運(yùn)行成本較高、傳感器使用過程中能源供給難以快速解決、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全性有待提高等缺陷[51]，后續(xù)相應(yīng)基礎(chǔ)性研究及其應(yīng)用實(shí)踐過程中應(yīng)進(jìn)一步著手解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)行互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)融合問題;進(jìn)一步加強(qiáng)與大數(shù)據(jù)技術(shù)的高度融入與集成創(chuàng)新，開發(fā)具有高度智能化、便攜式的低功耗、低成本的農(nóng)業(yè)傳感器專用設(shè)備;與現(xiàn)有成熟、穩(wěn)定的大面積、規(guī)模化農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，例如，新進(jìn)組網(wǎng)完成的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、高精度遙感反演以及無人機(jī)低空實(shí)地監(jiān)測(cè)等緊密結(jié)合，構(gòu)建點(diǎn)-線-面多為一體自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)穩(wěn)步推進(jìn)與農(nóng)產(chǎn)品高品質(zhì)建設(shè)提供更為翔實(shí)、科學(xué)的決策支撐。

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