无线传感器网络在精准农业中的应用分析

董暐

摘要：指出无线传感器网络在精准农业发展中的重要作用，分析了无线传感器网络在农业中的应用特点、网络结构、传输技术等关键问题，对无线传感器网络在农业各领域的应用现状进行了简要综述，并对无线传感器网络今后的发展方向进行了展望。

关键词：无线传感器网络;精准农业;环境控制;无线通信技术;节点部署

我国是农业大国，过量施肥等现象导致的农田污染、环境恶化、生物多样性破坏等问题十分严重，如何增加单位面积农田产量的同时减少对环境的破坏，保证农业的可持续生产，是摆在我国人民面前的一个难题。精准农业的出现为解决这一难题提供了有效途径，其核心内容就是利用信息技术，对目标的相关信息进行获取和分析，从时间、空间和方法等方面对不同情况的对象进行差异化管理。其中，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks， WSN）担负着信息获取的重要任务，是精准农业体系中不可或缺的组成部分，因此，研究适合我国国情的农业无线传感器网络，可以科学、准确、高效地获取信息，为精准农业的研究和发展提供基础数据，从而提高生产效率、降低成本、减少环境污染，实现农业的精细化管理，对加快我国农业现代化进程具有重要意义。

1农业无线传感器网络的特点

在精准农业体系中，环境信息的获取是最基本的组成部分，而无线传感器网络又是其中使用最为广泛的技术。无线传感器网络一般包括传感器节点、汇聚节点和基站，传感器节点由传感器、微处理器、存储器和收发器等部件组成，具有计算和通信能力，以近距离无线的方式连接，从而形成多跳的无线网络[1]。精准农业中典型的无线传感器网络，主要负责农业环境信息获取、农作物生长数据采集等工作，因此，应根据农业生产的特点和农业信息数据获取的要求来进行设计和规划，主要包括以下几个方面。

1.1传感器网络成本低、功耗小、使用简单

由于农业无线传感器网络的使用对象主要是农民和涉农企业，受农业生产效益制约，没有过多的资金投入，因此，要尽可能地压缩成本，而且由于传感器使用数量较多，其功耗也是不容忽视的问题，使用低功耗的产品可以节省一大笔开支，应考虑用户的实际情况，在使用上力求简单，用户能够快速掌握。

1.2传感器适合农业生产环境，长期使用性能稳定

农业生产环境具有多样性，存在农田、温室等多种场景，传感器网络的部署不能影响作物的正常生长和日常农事活动，农田中还要考虑供电方式和网络接入等问题。传感器还要能适应高温、高湿等恶劣环境，保证长期使用的稳定性。

1.3设计具有农业特色的数据采集算法

农业类数据的采集是一个长期的、持续的过程，需要获取大量数据，而农作物生理和环境参数比较特殊，特别是设施种植的作物，其数据大多具有连续性、阶段性、周期性等特点，因此在采集算法的设计上要充分考虑到数据相关性、冗余度等因素，研究适合的数据采集、融合算法[2]，以提高数据获取效率，节省存储空间、保证传输速度。

1.4合理的网络结构和性能设计

农业WSN主要应用于农田和设施2种典型场景，而2种场景差异明显，因此要有针对性地进行网络结构设计。同时，农业数据的采集具有采集频率高、参数种类多、数据量较小等特点，传输距离根据场景不同有比较大的差距，因此在WSN的选择上，要合理选择网络传输模式，确保数据传输的时效性和稳定性。

2农业无线传感器网络结构

早期的传感器网络以同构网络为主，在观测区域内放置同种类型的传感器节点，各节点通过多跳中继将数据发送到汇聚点，再通过互联网等方式传送到管理中心，由用户进行管理和控制，传感器节点在功能、能量方面都比较弱，网络只能进行单一的数据采集操作，可扩展性差，无法应对随时增加的监测需求。异构传感器网络很好地解决了上述问题，这种网络中不仅包含普通的传感器，还有功能更为强大的高级传感器节点，高级传感器除了有更长的续航时间，还有较为强大的计算能力，可以对收集的数据进行整理、融合和转发等操作。因此，目前新建的农业WSN，大多以异构方式进行网络组建。

WSN的异构网络架构分为信息采集、信息处理和信息应用3个部分。信息采集部分主要由传感器节点组成，能耗较小，功能也较为单一，主要负责农业数据的采集;信息处理部分主要由汇聚节点组成，也可以通过部署一些能量异构节点来完成汇聚节点的部分工作，这些节点在功能和性能上相比传感器节点都有较大提升，以完成数据汇聚、整理、融合等一系列的工作，并将处理后的数据通过互联网等方式发送到数据管理中心[3];信息应用部分主要是对获取到的数据进一步加工整理，通过各种软件系统应用于农业决策。图1是精准农业中一种典型的WSN异构结构。

采用这种异构方式组成的网络，细化了网络结构，在异构节点设计和应用一些特定的策略算法，可以有效地平衡节点能量消耗，延长网络生存时间，增强数据传输的稳定性和可靠性，从而提高整个WSN的使用效率。因此，现阶段研究的重点，已经逐渐转移到这些特定策略算法的设计和优化上来。

3农业无线传感器网络组网技术

3.1无线通信技术

根据目标监测区域的大小、数据传输需要以及成本限制等要求，传感器节点间的无线通信技术有不同的选择。目前在生产中常用的近距离无线通信技术主要包括：WiFi、Bluetooth、ZigBee和UWB等，根据农业生产的特点和农业信息数据获取的要求，专门面向自动化和无线控制的ZigBee无疑是最为适合的技术之一，低速率、低功耗、低价格的鲜明特点非常符合农业生产的定位。而且在这种网络中，有2种设备类型，功能简化型设备和功能完备设备，这样的设备类型划分也非常适合异构WSN的网络架构[4]，因此ZigBee是目前农业WSN中通用性最好、应用范围最广的无线通信技术。

3.2网络拓扑结构

农业WSN在构建时需要根据应用场景选择合理的拓扑结构，针对大田和设施2种典型场景的特点，有不同的拓扑选择。大田场景中，由于监测的面积较大，而且要考虑网络能耗均衡、节点发生异常、网络不断扩展的情况，需要配置大量的传感器节点和能量異构节点，因此适合选用Mesh（网状）拓扑结构，便于控制网络能耗，保证传输质量，方便网络扩展;设施场景中，由于单个设施面积有限，而且在地域上相对独立，因此每个设施可以单独形成一个子网，便于网络规划和管理，子网内节点数量较少且相对固定，通信距离较短，比较适合使用控制和同步都比较简单的星型拓扑结构[5]。

4农业无线传感器网络应用现状

由于近年来信息技术快速发展，WSN技术对精准农业的作用日益明显，越来越多的研究成果应用于农业生产的多个领域，收到了很好的效果。

4.1用于节水灌溉

我国水资源严重匮乏，人均占有量少、分布不均匀，而农业用水却浪费严重。由于农田大多施行粗放灌溉，造成水资源大量流失，灌溉效率低下，因此，迫切需要寻求一条节水灌溉的有效途径。农业发达国家对农业节水灌溉研究起步较早，成效也较明显，对于常规作物都有比较先进的灌溉系统，这些系统不仅可以监测灌区水情、墒情，还能根据作物情况制定科学合理的灌溉策略。我国近年来无线传感器网络的快速发展，为灌区自动化数据采集提供了支持，但由于相关研究起步较晚，因此目前已应用于生产的节水灌溉系统大多面向小规模的生产环境，如果园、茶园、温室等，面向大田的节水灌溉应用还在区域示范阶段，尚未大规模投入生产。

4.2用于温室环境管理

由于我国对设施农业的大力推广，无论在技术还是投入上，设施农业都走在了整个农业生产的前列，温室管理的自动化程度较高，很多地区的智能温室已形成规模，使用的温室管理智能化系统也日趋完善。无线传感器網络已大量应用于温室环境信息采集，使用的传感器种类和传输技术也在不断增加和改进。智能化系统通过分析处理传感器获取的信息，不仅可以实时监测温室中的温湿度、光照、二氧化碳、土壤状况等各项环境参数，还能根据预先设置的样本参数，自动进行水肥、温湿度、日照等管理操作，保持作物的最佳生长环境。既实现了随时随地对温室进行科学、准确的管理，又减少了管理人员工作量，提高了生产效率。降低成本和功耗，提高稳定性和可靠性，数据融合和路由算法优化等。

4.3用于生理生态监测

监测动植物的生理生态指标对掌握其生长状况、提高科学管理水平具有重要意义，传统的监测手段以人工观察记录为主，不仅持续时间长，还耗费大量的人力和物力。根据生理生态监测工作持续时间长、监测范围广等特点，利用成本低、易部署、自动化程度高的无线传感器网络，配合专门的智能化系统，可以对动植物生理生态参数进行准确、持续地记录和分析，随时掌握监测目标的生长情况，从而有效降低监测成本，提高监测效率。

5总结和展望

我国正处于传统农业向现代农业转变的关键时期，国家对农业信息化建设十分重视，精准农业的发展形势良好，无线传感器网络作为其重要的组成部分，应用范围持续扩大，研究成果不断涌现，特别是在农业环境监测和控制等方面发挥了巨大作用，解决了传统的人工采集和有线测量在实时性、精确性、规模性等方面的问题。但由于我国相关研究起步较晚，技术相对落后，因此仍存在诸多不足，如传感器种类少、寿命短、能耗高，数据传输的稳定性和可靠性仍需加强，无线传感器网络与互联网互通存在困难等，许多专家学者在相关领域进行了更深层次的研究，研究重点主要放在在节能策略、节点定位、数据融合、路由优化、多平台支持等方面，相信随着信息技术的不断发展和相关研究的持续深入，无线传感器网络在农业生产中将拥有更广阔的应用前景。

参考文献

[1]瞿华香，赵萍，陈桂鹏，等. 基于无线传感器网络的精准农业研究进展[J]. 中国农学通报， 2014， 30（33）： 268-272.

[2] 孙玉文，沈明霞，路明洲，等. 无线传感器网络在农业中的应用研究现状与展望[J]. 浙江农业学报， 2011， 23（3）： 639-644.

[3] 于婷婷，朱龙图，闫荆，等. 农田环境信息采集与远程监测系统[J]. 中国农机化学报， 2016， 37（6）： 220-225.

[4] 李士军，温竹，宫鹤，等. 无线传感器网络在农业中的应用进展[J]. 浙江农业学报， 2014， 26（6）： 1715-1720.

[5] 郭文川，程寒杰，李瑞明，等. 基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J]. 农业机械学报， 2010， 41（7）： 181-185.