无线传感器网络发展及其在精准农业方面的应用

摘要：无线传感器网络得到迅速发展。无线传感器网络能实时监测、感知、采集和处理各种监测对象信息，已经成为了科学研究领域最前沿的课题之一。文章主要介绍了无线传感器网络的概念、结构、特点及其研究热点和关键技术。

关键词：无线传感器网络

中图分类号：TP399文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2012) 03-0000-02

The Development of Wireless Sensor Networks and Its Application in Precision Agriculture

Pei Fang,Zhang Jie

(Hunan Mechanical&Electrical Polytechnic,Changsha410073,China)

Abstract:Wireless sensor networks have developed rapidly.Wireless sensor networks in real-time monitoring,perception,acquisition and processing of a variety of monitoring object information,has become one of the most cutting-edge scientific research topics.The article introduces the concept of wireless sensor networks,structure,characteristics and research focus and key technologies.

Keywords:Wireless sensor networks

随着微电子和微系统（MEMS）、无线通信、信号处理这三个技术领域近年来的飞速发展，一个新的研究领域成为国内外关注的热点，这就是基于大量具有通信功能的微型无线传感器构造的无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Networks).WSN具有极其广泛的应用，如感知战场状态（军事应用）、环境监控（如气候、地理、污染变化的监控）、物理安全（如建筑和结构的）监控、城市道路交通监控、安全场所的视频监控。

一、无线传感器网络的国外发展状况

无线传感器引起了世界各国军事部门、工业界和学术界的极大关注。美国军方有包括C4KISR计划、Smart Sensor Web、灵巧传感器网络通信、无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统CEC等都是关于无线传感器网络的研究。国际学术界和研究机构对无线传感器网络做了大量的研究课题。

（一）国际学术界对WSN的关注―专利

IEEE Journal on Selected Areas in Communications

(2004，VOL.22，NO.6，2005，VOL.23，NO.4，2006，VOL.24，NO.2)

Proceedings of The IEEE(2003，Vol.91，NO.8)

IEEE Wireless Communications(December 2004)

IEEE Signal Processing Magazine(2006，VOL.23，NO.4)

（二）WSN相关的国际会议

Wireless Communications and Networking Conference

Wireless Communications，Networking and Mobile Computing

ISCIT

ICASSP

ISSCS

（三）2004年在美国国际自然科学基金、国家健康协会的资助下，哈佛大学启动了CodeBule平台研究计划，目的是把无线传感器网络技术应用于医疗事业领域，包括医疗救急、灾害事故的快速反应、病人康复护理等方面。

（四）2003年INTEL公司在Berkeley大学的研究中心启动了关于WSN方面的研究计划，内容如下：

异构传感器网络，测量各种异构传感器网络的性能，研究嵌入式处理在异构网络中的应用。

Mote计划，开发下一代的自组织WSN节点，设计出更强处理能力、更大存储容量、更高带宽和可靠频射能力的节点。

TASK计划，研发Tiny Application Sensor Kit(TASK)，为一般用户快速开发和部署自己的WSN应用，提供简单实用的开发套件。

（五）美国Dust Networks和Crossbow Technologies等公司研究的“智能尘埃、Mote”已进入应用测试。在英国、日本、意大利等国家，已经开展了该领域的研究工作。

我国也开展了这一领域的研究工作，具体内容包括无线传感器结点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。目前正处于研究和开发阶段，这是一个很有意义的课题，是从理论到实践都需要大量研究的课题。

二、无线传感器网络的结构特点

无线传感器网络的结构如图1所示：

图1 无线传感器网络节点结构模块

WSN有两种组网结构：

平面拓扑结构。如图2所示。有的网络节点处于相同的平等地位，不存在任何的等级和层次差异，所以被称为对等式结构。

逻辑分层结构。如图3所示。网络节点按照某种规则（如地理位置、应用需求）分成各个簇，每个簇由簇头和成员节点构成。

图2 平面拓扑结构

图3 逻辑分层结构

三、无线传感器网络在精准农业的应用

精准农业是非常好的应用大规模互联网传感器一个应用方向。比如说美国的国家环境预测中心等等，都在为利用遥感技术为农业信息化做贡献。英特尔在美国做了一个无线葡萄园，利用传感器节点检测土壤的信息，日本开展研究田间检测服务器，如何提供自动化农业产品的生产检测与田间信息收集手段。这里面核心问题就是可能大量用遥感和地面信息感知。

利用WSN空间遥感，为什么把这两个东西结合起来，传统空间摇杆有一个局限性，它的分辨率低，就是说要检测一个温度、湿度，希望颗粒度比较细，但是卫星做不到那么细，那么这是第一个问题。第二传统配合卫星，遥感来解决它的分辨率低这样一种问题的方法就是用人在去提取一些地面的准确的信息，对遥感数据进行校正，这样做法也有局限人去做。首先活动范围有限，然后你时间又不连续，成本很高。

那么，我们提出地面和空间的遥感数据结合，就是要用地面的传感器网络获取信息，大量连续的信息和空间信息结合起来，进行联合繁衍，最后获取信息第一精度高，第二颗粒度、细粒度非常好。我们要做的这个工作包括这样一些事情，地面数据和遥感数据进行耦合，进行数据融合，然后要做一个地面观测系统，在IPv6网络作地面观测系统。第三要获取精确景区农田环境的信息，然后把这个系统应用到一个范围里面去。

那么核心问题做一个传感器节点，这个节点是专用节点，还要加不同传感器，或者一些不同特性加进去。这个节点有一些防热的问题，还有散热的问题，防盗等等这样的问题，它是多传感器土壤问题，湿度传感等等情况。为了提高它的增加控制时间寿命，可能在这种情况下加一个太阳能电池，就算没有我们希望通过软件控制，使节点通过时间可能半年以上它有一个作物季节，可以连续工作。

中央处理器部分可以做一个的嵌入式系统。到一个农田里有用两种方式部署，一个是密集，一个是稀疏，为了降低成本在密集方式我们部署是一种传感器节点，范围不是很大，但是节点密度很大，稀疏方式整个大面积我们要部署传感器节点，通过GPRS手段，把数据传到CNGI上来，通过处理出来结果就会提供给农业部门。进行早期的估产，进行施肥加水，施放农业的决策依据。

那么，无线传感器的数据处理，这是一个网络上面一个问题，就是传感器数据如果采集到以后我们是N次数据是一一往上传是有问题，这样大大降低整个网络生命周期，要进行本地压缩，会聚融合传上来，要进行预处理。那么我们刚才提到数据融合算法，要密切的满足无线传感器网络特点，包括数量，分布密度，拓扑结构，能量约束，技术能力约束，存储空间约束等等。对无线传感器网络很重要就是它的生命期，如果太短的话，WSN是没有意义。还有遥感系推获取系统是来自卫星的数据，地面获取，数据库建设，数据库融合的问题。那么有一系列难点，比如说作物生长遥感指标，刚才说这个网络部署密集部署说起来很简单做起来是非常难，传感器目前是没有结构的，是没有路由器，是用组网，组网有一些非常复杂的问题，做不好这个传感器网络两天就死掉。所以要一种算法，包括路由，应用尽可能提高生命周期，这是一个很大的问题，尤其是大规模的应用的。

第三个问题就是耦合模型，怎么进行耦合。那么，未来这样一个系统，它要从检测，到反过来进行控制，精准农业控制，通过检测发现现在需要水，不需要内供浇水，可以通过人工智能浇灌系统等等

四、总结

而随着工艺、计算机及其网络技术的发展，WSN必将在工业、农业、医药、军事得到越来越广泛的应用，这将迫切需要高效的支撑技术算法和协议。