无线传感器网络在农业上的应用现状及存在问题

龚志远，张 伟，刘燕德，吴至境，谢庆华，周 鑫

（华东交通大学光机电及应用研究所，江西南昌330013）

无线传感器网络在农业上的应用现状及存在问题

龚志远，张 伟，刘燕德＊，吴至境，谢庆华，周 鑫

（华东交通大学光机电及应用研究所，江西南昌330013）

无线传感器网络作为一种结合多种先进技术于一体的网络系统，将其应用于现代农业，可使农业的生产、经营和管理等过程高效化，进一步节省成本，提高经济效益。介绍了无线传感器网络的原理和技术特点，对国内外无线传感器网络技术在农业中的应用现状进行了概述，总结了无线传感器网络在农业应用中存在的问题。

无线传感器网络；智能化农业；现代农业

随着自然资源和环境约束的加剧，现代农业要在数量和质量实现进一步提升，需要摒弃资源消耗型的传统农业模式，充分利用资源，发展规模化和集约化，同时确保自然环境安全，发展可持续农业。这对农业的发展提出了更高的要求，使得现代农业的发展向精准农业的方向迈进，需要利用高新技术和科学的管理手段对资源进行优化整合，并对农作物生长进行适时适度的调控，充分发挥其生长潜力，增强其对病虫害等疫情的抵抗能力，提高其优质高产能力。随着智能传感技术、机械电子技术、物联网技术的飞速发展，远程控制和智能化控制等现代化控制技术已被广泛应用于农业生产领域，而无线传感器网络技术则是上述技术的综合产物。在国外，2003年发布的未来预测技术发展报告中将无线传感器网络技术列为改变世界的十大新技术之一［1－2］。在国内，《国家中长期科学与技术发展规划（2006—2020）》把无线宽带通信、自组网络与通信、智能感知等技术列为我国中长期重点发展的前沿科学技术［3］。无线传感器网络具有高效、智能化及网络化等诸多优点，在精确农业领域具有重要的应用价值。

国内无线传感器网络的应用研究在时间上几乎和发达国家同步启动，但整体比较薄弱。1999年中国科学院在《信息与自动化领域研究报告》中提出重点地区灾害实时监控、预警与决策示范系统项目，并首次提出应用无线传感器网络。之后，中科院等成立了相关的研发中心，并开展了无线传感器网络相关的重大研究项目。同时，国内的许多高校和科研单位相继开展无线传感器网络的研究。清华大学等开展了传感器定位与数据管理系统等研究，重庆大学开展了无线传感网络在嵌入式系统等领域的研究，华东交通大学射频通信与传感器网络实验室开展了无线传感网络射频电路系统、量子传感器、智慧交通传感网和多媒体传感网等研究［1］。张颖等［4］设计了基于超低功耗MCU芯片和无线收发器芯片的多环境采集功能无线传感器网络节点。张瑞瑞等［5］设计了基于ATMEGA128L单片机和CC1000射频芯片的无线传感网络节点通信电路。杨树森等［6］设计了无线传感网络数据库软件和网络构建方案。随着无线传感器网络在农业上的应用日益广泛，为使更广大的农业科技人员了解这一新兴技术，笔者对无线传感器网络的原理及其在农业中的应用现状进行概述，并对其在农业应用中存在的问题进行总结。

1 原理和技术特点

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价小型或微型传感器节点组成，经过自带的无线通信装置通过自组网的形式连接组成一个智能网络系统，从而协作采集和处理网络覆盖区域中传感器所感应的信息，经过一定处理后发送至服务器，并最终通过客户端呈现给用户［7］，是一种涉及无线传输技术、网络通信技术、嵌入式技术、微电子技术和传感器技术等多学科多领域的技术。其可在各种无人值守的环境中工作，因此在很多行业和领域都具有巨大的应用价值，具有非常广阔的市场前景［8］。

1.1 基本结构

无线传感器网络由传感器节点、中心汇聚节点、数据处理中心、网络收发装置、手机和电脑等客户端组成［9－10］（图1）。传感器节点通常按照实际测量需要部署在感知区域内，每个传感器节点能将采集的数据通过无线发射装置传输至中心节点，中心节点再通过有线或无线的方式与本地数据处理中心相连接，同时将本地数据处理中心和控制平台联入互联网，用户使用手机或者电脑连接互联网就能获取监控区域内传感器反馈的数据信息，并且可根据需要对相应设备进行远程控制和管理。

传感器节点通常包含传感器单元、存储单元、微处理器单元、通信单元以及电源单元［11－12］（图2）。它具有小功率、小尺寸、低成本、多功能等特点，此外可根据实际需要在传感器节点中配备GPS装置，以获取传感器节点的具体部署位置，进而及时获取现场事件发生的具体位置。

1.2 通信协议

通信协议是指双方实体完成通信或服务必须遵循的规则和约定。协议定义了数据单元使用的格式，信息单元应该包含的信息与含义、连接方式以及信息发送和接收的时序。随着通信技术的发展，短距离高效率的无线通信技术成为热点。同时，家居智能化、网络化，工业控制系统的智能化、网络化等都需要成本更低、短距离、低功耗，同时具备组网能力强等优点的无线通信技术标准。在此背景下，ZigBee无线通信技术应运而生。ZigBee技术联盟于2001年成立，并在2005年发布该通信标准的首个公开版本，2007年又发布了趋于成熟的第2个公开版本。其主要特点：1）功耗低。在待机状态下，普通的干电池能够支撑使用半年到1年的时间。2）短距离。数据传输的有效距离为10～100m。3）成本低。协议简单紧凑，且可以免除协议专利费。4）组网容量大。能够采用星型、网状和鳞状等布置结构，最大可汇聚6万多个网络节点。因此，与其他无线通信协议相比较（表），其非常适合传输数据信息量比较小的工业自动化控制设备和农业自动化控制设备等的数据信息，是当前应用比较广泛的一种无线通信协议，应用于现代农业环境中具有明显优势。

图2 无线传感器节点的构成单元Fig.2 Component units of wireless sensor nodes

表 不同无线通信协议的技术指标Table Technical indicators of different wireless communication protocols

2 应用现状

2.1 农业环境监测

2004年我国出现了第一台农作物生长培育环境信息监测设备。由于采用有线连接，系统比较复杂，故障发生率较高，导致维护成本较高，因此使用并不广泛，但在当时应用该设备也取得了一定的成效［13］。杭州齐格科技有限公司和浙江农科院共同研发了远程农作物管理系统［14］，该系统利用无线传感器网络技术对农田的光照、温湿度和降雨量等环境信息进行监控，并将这些无线传感器收集的各项环境信息传输至数据中心的服务器进行存储和分析。安徽省农业科技示范园应用无线传感网络精准农业监测系统，利用土壤温度、湿度传感器和光照传感器等对花卉大棚内的环境状况进行监测［15］。

在国外，最先将无线传感器网络技术应用于农业领域的是英特尔公司，其在2002年于美国俄勒冈州建立了世界上第一个智慧型无线葡萄园［16－17］。该葡萄园主要是将无线传感器网络节点按照一定的要求安装在整个葡萄园中，每隔1分钟就对葡萄园中的温度、湿度、光照度以及土壤的养分含量等环境信息进行1次采集，通过对长期监控数据进行分析，便能有效掌握园区内多种环境因素对葡萄生长的影响，从而调控园区的环境使葡萄处于最优的生长环境中，确保葡萄的优质高产。

此外，无线传感器网络应用在动物养殖环境的监测和农田洪涝灾害和环境污染状况的监测等。董方武等［18］基于ZigBee技术的无线传感器节点，并且通过该节点设计出了一套监测禽类养殖环境的无线传感网络和控制系统。经过实践测试，该系统各项功能均能满足监控要求，能够比较顺利地指导禽类的养殖作业。纪滨等［19］通过ZigBee网络技术，将猪舍内的传感器和风机等机电设备等连接起来组成实时监控系统，对猪舍内的环境和幼猪的生活状况进行实时监控，并提出了能够有效增加数据传输速率并减少传输延时和数据丢包率的有效算法。

2.2 节水灌溉

在国内，冯友兵等［20－22］设计了一个用于远程传输农作物需水信息的无线传感网络系统，该系统可以为定时、定量灌溉提供可靠依据，达到节能节水灌溉的目的。杨婷［23］等设计了基于无线传感网络的自动滴灌控制系统，该系统可以检测环境温度、土壤温湿度以及光照的变化，利用传感器反馈的信号对滴灌系统做出精确的控制，实现自动精确滴灌。高军等［24］将基于ZigBee技术的无线传感网络与GPRS网络相结合，设计出了一套能够根据土壤的各项指标参数和农作物的需水规律进行精准灌溉的控制系统，有效解决了农业用水利用率低下的问题。张俊涛［25］等针对当前农业环境监测的需求，设计了一套基于无线传感网络的果树精准灌溉系统。该系统采用ZigBee技术与GPRS网络相结合的体系结构，基于CC2530芯片设计无线传感节点，并配套了相关软件。无线传感器节点对其所在区域的土壤湿度信息进行实时监测，根据果树的合理需水量以及土壤的综合状况，对灌溉进行精准控制，可应用于温室、果园等区域，有助于提高果树产量。

2.3 农业机械作业

由于农业种植规模化和劳动力成本的提高，以及农业的规模化发展，农业机械自动化与智能化程度越来越高，无人驾驶的智能农业车辆得到了广泛的研究应用。农业智能车辆的导航方式主要为GPS和视觉，基于GPS导航的农业智能车辆已在国内外有了较多应用。CCD视觉传感作为一种应用于移动机器人的新兴传感技术［26］，在农业智能车辆中也得到广泛的应用。日本知名农业机械专家Noguchi教授研究的无人驾驶拖拉机［27］已在实际生产中得到应用。中国农业大学和南京农业大学针对农业移动机器人自动导航过程中检测障碍物的问题，研究得出能够满足机器人线性检测和实时检测障碍物的算法［28］。美国约翰迪尔公司推出的可以实现播种、收割以及施药和施肥测定野外作业的“绿色之星”系统［29］，其通过装有卫星收发装置的收割机将测得的实际产量经过存储分析后，指导施肥机、播种机根据相关数据信息完成合理施肥密植，达到利用较少资源投入增加经济效益的目的。

此外，无线传感器网络在水质监测、水果蔬菜粮食的储存、农作物虫害监测、农作物施肥喷药、水产养殖等方面都得到了应用。综上所述，无线传感器网络在农业上的应用可概括为：1）温室环境监控，通过无线传感器网络对土壤温湿度、空气温湿度、气压、光照强度和二氧化碳浓度等的测定来调控温室环境，使作物处于最佳的生长环境。2）节水灌溉水肥一体化。3）大面积农作物种植区域环境监控，与温室环境的应用大同小异，主要是对土壤温湿度和光照强度等环境信息的监测。

3 存在的问题

首先是安全问题。无线传感器的很多网络参数和密钥都是在节点布置后由其进行握手协商形成，无法进行事先配置。同时，其通常运行在无线信道开放和无人值守的环境中，给网络通信安全提出了很大的挑战。除了信息的篡改、泄露等传统网络安全问题，黑客能够攻击并获取节点中的物理和安全等信息，进而控制部分或者整个网络。其次，长时间以及恶劣环境状态下运行的稳定性问题。无线传感器一般分布在比较复杂的农业环境中，会因为天气等原因造成失灵，甚至会因为雷电造成永久性损坏。再次，不同设备间的兼容性问题。由于不同设备可能采用不同的通讯协议，造成现有节点与后续新增的节点不兼容。此外，与其他网络平台的融合性问题，如与时下热门的物联网技术平台进行融合，便于后期的升级管理。最后，无线信号在传输中的衰减问题。

尽管无线传感器网络的应用存在上述问题，但其作为一种结合了多种先进技术为一体的网络系统，为高效可持续农业的发展提供了一种便利而先进的信息采集和处理方式。随着对上述问题的不断改进，其在农业领域的应用将具有更广阔的前景，成为助推未来农业发展的重要工具。

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（责任编辑：黄筑斌）

Application Status and Existing Problems of Wireless Sensor Network in Agriculture

GONG Zhiyuan，ZHANG Wei，LIU Yande＊，WU Zhijng，XIE Qinghua，ZHOU Xin
（Institute of Optics－Mechanics－Electronics Technology and Application（OMETA），East China Jiaotong University，Nanchang，Jiangxi 330013，China）

Wireless sensor network is a network system combined with multiple advanced technologies，the application in modern agriculture could make the production，operation and management of agriculture more efficient，and thus enhance the economic benefits.In this paper the principles and technical characteristics of wireless sensor networks were reviewed，as well as agriculture research status at home and abroad using wireless sensor networks were analyzed，and finally，the issues of wireless sensor networks in agricultural application were summarized.

wireless sensor networks；intelligent agriculture；modern agriculture

S126；TP212.9

A

1001－3601（2016）08－0360－0144－04

2015－11－15；2016－07－12修回

国家863计划课题（2012AA101904）；国家863计划课题（2012AA101906）；江西省研究生创新专项资金资助项目（YC 2015－S240）；江西省光电检测工程技术研究中心资助项目［赣科发财字（2012）155］

龚志远（1966－），男，副教授，从事机电一体化技术研究。E－mail：gongzhiyuan0514＠163.com

＊通讯作者：刘燕德（1967－），女，教授，博士，从事农业精准管理与数字化研究。E－mail：hbzw2011＠163.com