无线传感器网络技术及其在农业自动化中的应用

陶梦江，赵继聪，秦 魏

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221116

无线传感器网络技术及其在农业自动化中的应用

陶梦江，赵继聪，秦 魏

中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221116

无线传感器网络技术现已经被广泛应用。我国农业未来发展趋势应走向自动化，高效率，高精度的机械化，智能化生产。无线传感器网络在农业中的运用是推进农业生产走向智能化、自动化的最可行的方法之一。

无线传感器；网络技术；农业自动化

1 无线传感器网络研究背景以及发展现状

随着半导体技术、通信技术、计算机技术的快速发展，90年代末，美国首先出现无线传感器网络（WSN）。WSN是由布置在监测区域内传感器节点以无线通信方式形成一个多跳的无线自组网（Ad hoc），其目的是协作的感知，采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者是WSN的三要素。将Ad hoc技术与传感器技术相结合，人们可以通过WSN感知客观世界，扩展现有网络功能和人类认识世界的能力。WSN技术现已经被广泛应用。

2 WSN技术在农业生产自动化中的应用

2.1 我国农业发展现状

农业生产的发展过程受到了社会以及自然两方面的影响。我国是农业大国，建国初期，为了解决粮食供应短缺问题，在农业生产上，注重产量，当前我国温饱问题基本得到解决，农业生产应该用经济效应来衡量，注重产业效率，我国大部分地区农业生产相当的落后，仍然靠人力、畜力耕种，限制了劳动力，提高了生产成本。因此我国农业发展趋势应走向自动化，高效率，高精度的机械化，智能化生产。

2.2 WSN技术在农业生产中的应用

2002年，英特尔公司在饿勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园，将无线传感器结点人工分布在葡萄园中，对园中土壤的温度以及养分含量等作物生长条件进行实时监控。杭州齐格科技有限公司与浙江农科院合作研发了远程农作物管理决策平台，该平台利用了WSN技术实现对农田的温度、湿度、光照等信息的监测。北京市“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”项目，将WSN应用于温室蔬菜生产中。将温室作为一个监控区，使用WSN技术对温度、PH值、含水量、光照强度等进行测量，根据实际需要，对温室条件进行调整，以达到农作物生长的最佳条件，增加作物产量。在大规模部署传感器节点时可以通过飞机播撒，人工设置，火箭弹射等方式部署在预设区域。无线传感器网络具有的实时性监测，无线通信特点，使其在农业生产上有很大发展前景。典型应用如下：

1）农业灌溉自动化控制技术

我国是个贫水国家，水资源总量居世界第4位，人均仅为第121位。农业用水占总用水量的七成，但我国农田灌溉十分落后，水的实际利用率很低，浪费严重，与发达国家相比仍有差距。采用自动灌溉系统，在土壤中人为安放水分传感器、温度传感器，对农作物的生长条件进行监控，根据实际，进行自动供水和自动按一定顺序进行灌溉。

2）温度自动调控

蔬菜生产中，温室生产规模正在逐步扩大，传统温室监控系统成本高，移动性差等问题很突出。近年来，节能高效的WSN技术正在温室监控领域兴起。基于WSN的温度监控系统由汇聚节点和子节点构成。将传感器分布在温室中监控温室内土壤温度、湿度、PH值、光照强度等，通过无线网络传到汇聚结点，汇聚结点对数据进行处理，将命令通过无线网络下发给调控节点，调控节点根据所得命令对灌溉设备、加热器等进行控制，改变温室条件。汇聚节点还可接受人工控制，与互联网连接，使用户可以进行远程监控。

3 WSN在农业生产中的应用

3.1 WSN实际应用中的问题

在实际农业生产中，节点工作环境恶劣，网络规模较大，节点数目多，在保证网络规模的同时，要考虑网络成本，为了实现实时监控，传感器的施放位置很难定位，节点能量有限，节点可能会失效，WSN在实际应用中的问题如下：

1）网络规模较大

节点必须尽可能大规模高密度部署，保证监控区域的覆盖范围和连通度，否则无法实施网络的自组和数据汇聚，而大规模组网，使生产成本增加，降低了经济效益，影响网络实际应用。

2）对于网络容错的解决

农业生产中，各传感器网络所监控到的数据的准确性对农业生产非常关键。及时了解节点的状况，进行网络容性处理对农业生产的影响十分重要，而网络容错所要处理的问题主要是节点检测和节点恢复。节点检测则需要GPS对其定位，若在大范围的布置GPS设备，会提高成本，保证节点定位同时保证经济效益是需要解决的问题。节点恢复，常常用冗余的节点替换失效的节点功能的方法解决，但对冗余节点的位置与数量有一定要求。

3.2 WSN的关键技术

由WSN的结构特殊性，对于WSN在实际应用中应该掌握以下关键技术：

1）节点定位

定位技术是位置未知节点根据少数参考节点，根据特定的机制确定自身位置，包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。节点自定位是指确定网络中节点自身位置，是部署组网的基本要求。目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。常用方法用三边测量法，三角测量法和极大似然估计法。

2）与其它网络的融合

WSN与现代网络融合将大大提高WSN的实际应用功能，将WSN与移动通信网络、Inter网融合，一方面WSN可以借助着两种传统网络进行通信；另一方面可以利用传感信息实现新的发展。

4 结论

WSN络融合了嵌入式技术、计算机网络技术和通信技术等现有的先进技术，自主实现对各种信息的采集、传输和处理，是一种有广泛发展前景的监控网络技术。为人们提供了一种全新的信息采集、信息处理和信息利用的方法，具有自主性，实时性特点，适合农业生产管理。文章通过对WSN的组成、体系结构和关键技术的简介和其在实际农业生产应用实例，说明WSN在推动农业生产自动化中的作用。

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感网络[M].1版.清华大学出版社，2005，5.

[2] 年海，王志华，李晓华. 无线传感器网络技术及其在新疆农业的应用研究[J].新疆师范大学学报：自然科学版，2009，28（3）.

[3] 袁玲芝.浅析我国农业机械自动化技术与应用[J]. 黑龙江科技信息 ，2009（17）.

[4] 李栋，秦宁宁，徐保国.基于无线传感器网络的嵌入式温室监控系统.仪表技术与传感器，2009（5）.

[5] 朱红松，孙利民.无线传感器网络技术发展现状[J].中兴通讯技术.

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1674-6708（2010）18-0129-02