面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究

安长华（中国移动天津公司，天津　300100）

面向精细农业的无线传感器网络关键技术研究

安长华
（中国移动天津公司，天津300100）

传感器网络与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱，有助于改善传统农业的弊端。而精细农业就是一种现代化农业理念，是指基于变异的一种田间管理手段。其目标是提高生产效率的同时减少投入，提高产量。基于此，从农业应用环境对无线信号传播特性的影响出发，对面向精细农业的无线传感器网络组织结构和组网方式进行研究。

精细农业；无线传感器；信号

我国人口众多，土地的人均占有量严重不足。在保护好生态环境的基础上，如何利用有限的土地资源，提高产品的质量是当前关注的热点。精细农业是以网络信息和专业知识为依据，以提高作物的产量和质量为目标的现代农业。根据获取作物的生长环境要素（生长的最佳温度、湿度，风向风速，日照时间，含水量等）的差异性，区别对待不同的农作物，以提高作物产量、质量和环境质量。而面向精细农业无线传感器网络的应用起到了关键作用，无线传感器网络的关键技术包含哪些是值得研究的。

1　网络安全

人类社会存着各种各样的安全问题，制约着社会的发展，影响着人类正常的生活。当然无线传感器网络中也存在着各种安全威胁。由于无线传感器网络规模大、范围广，但是收到节点自身的能力的制约。传感节点也不一定都是与基站直接进行通信的，而且无线传感器网络（WSN）通常部署在敌对环境中，所以信息容易被窜改、丢失。所以，网络安全是无线传感器网络中的关键技术。

1.1无限传感网络存在的安全威胁

在当今社会中无限传感网络存在着多种安全威胁，主要有以下几点：①网络迅速发展但缺少健全的运行机制，给用户带来各种不便，导致信息暴露或被非法用户截获；②一个节点遭破坏；③识别伪节点；④如何向已有传感器网络添加合法的节点。

1.2解决网络安全问题的措施

为了解决网络安全问题，应该采取积极有效的措施：①任何人未经批准，不得擅自在网站上发布信息或更改网站页面版式和内容，必须经网络信息管理部主任审核同意后才能发布；②上网材料必须是已正式对外公布的文件或资料，未正式对外公布的资料不得上网发布；③网站密码由公司网站管理员专人负责控制，不准向任何部门或个人泄露；④网络管理员应维护网络安全，避免网站被病毒、黑客袭击，如发现网站运行不正常时应及时处理；⑤设置双方加密的形式，每个节点只设置一个密钥，当节点的距离过长时，网络会在节点和基站之间的一个合适的位置选择节点，发送断也会对数据进行加密。其结构如图1所示。

图1　无线传感网络结构

主控计算机通过传感器总线控制器与传感器总线上的多个节点通信并实现上层监控和决策功能，每个节点包含一个或多个传感器执行器和总线接口模块，节点间的通信方式可以是对等的（Peer-to-Peer）或主从的（master-slave）。

2　信息的处理和电源的使用

信息的处理和电源的使用也是无线传感器应该研究的网络技术的关键。无线传感器网络中，节点的唤醒方式主要有全唤醒模式、随机唤醒模式、由预测机制选择唤醒模式、任务循环唤醒模式。其中，由预测机制选择唤醒模式是指无线传感器网络中的节点根据跟踪任务的需要，选择性地唤醒对跟踪精度收益较大的节点，通过本拍的信息预测目标下一时刻的状态，并唤醒节点。这种模式可以获得较低的能耗损耗和较高的信息收益。电池无线充电技术是特别引入关注和可能发展的方向。

3　无线传感器网络的协议结构

无线传感器网络的协议结构是另一项关键技术。无线传感器网络对协议结构的期待是：尽量简化协议层次，尽量简练信令方式，尽量利用广播信息，尽量避免交互应答。用简洁的协议栈支持无线传感器网络的有效运行。其中，区域覆盖和路由协议很重要，到处存在接入可能，节省系统开销的路由选择，有向扩散的路由协议，都是值得研究开发的。极大量无线传感器终端的识别和管理，极大量采集数据的集中处理和应用，也是无线传感器网络面临的值得解决的课题。

3.1容错机制

由某种系统控制在一定范围内的一种允许或包容犯错情况的发生。在使用电脑的某个程序时，常常会遇到“程序无反应”或“程序未响应”的情况发生，此时这个程序便不能在进行下去，但经常会在几秒后恢复到正常使用状态。这种“无反应”或“未响应”几秒钟的错误状态，称之为“容错”。

在任何网络系统中都应该有个很好的容错机制，无线传感器网络也不例外。无线传感器的节点经常处于敌对的环境中，很容易产生“容错”现象，无线传感网络的覆盖范围比较广，分布范围广，所需节点的数量也多，更容易造成系统运行的障碍，维护起来十分困难。为了保证系统的正常运行，必须建立良好的容错机制。常见的容错系统有多途径备份、局部恢复和利用编码理论等。可以根据不同的要求，采用不同的容错机制。

3.2能量问题

信号的覆盖范围较广，传感器节点的分布众多，并且需要进行数据的处理，而且网络中的节点一般用电池供电，更换电池也是很困难的过程。如何解决传感器的能量问题是无线传感器网络设计中的核心内容。当检测事件发生时，传感器从休眠模式中恢复正常工作，可以自动适应休眠和唤醒，对于突发事件进行处理，这样便可以节约能量。这样既可以满足系统的需要也可以节约能量。在满足系统的要求的情况下，采取降低耗电量是十分重要的。同时，可以使用新型电池（高含电量、自动充电等），满足传感器的需要。

3.3数据完整性和实时性

网络信息也具有时效性和完整性的特点，在网络测量数据的过程中，应该保证信息的完整性和机密性，预防黑客对系统的攻击造成信息的暴露，影响人们的正常生活。信息是具有时效性的，应该时刻保证检测信息的更新、变化，保证信息的随时更新，确保不会因为信息的滞后而影响人们对农业施肥、灌溉等程序的判断，造成不必要的经济损失。

3.4密钥管理

为了实现、满足上面的安全需求，需要对加密密钥进行管理。无线传感器网络由于能源和计算能力的限制，需要在安全级别和这些限制之间维持平衡。密钥管理应包括密钥分配、初始化阶段、节点增加、密钥撤销和密钥更新。

无线传感器网络在促进农业经济发展的前提下也推进了传统农业的现在化，但也存在着诸多的技术漏洞急需解决。因此，应该建立良好的网络安全机制，合理及时地对信息进行处理，完善无线传感器的网络技术，让网络推动农业的发展。

TN929.5；TP212.9

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1674-7909-（2016）11-44-2