无线传感器网络在智能农业中的应用研究

【摘 要】无线传感器网络由于其广阔的应用前景，已经成为21世纪科学研究领域的焦点。本文综述了无线传感器网络体系结构、特点，智能农业的内涵，从温室环境、节水灌溉和畜禽养殖等领域介绍了无线传感器网络的最新应用研究。

【关键词】无线传感器网络；智能农业；应用研究现状

0 引言

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域[1]。它综合了传感器、嵌人式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等技术，由大量微型传感器节点和网关构成，能够协作地采集、感知和实时监测网络覆盖区域内监测对象或各种环境的信息，通过无线传输方式送到用户终端。在我国传统农业中，人们主要通过人工测量的方式获取农田信息，获取过程中需消耗大量的人力，而无线传感器网络在农业中的应用可以有效降低人力消耗，高效、实时地获取精确的作物环境和作物信息，降低了农田管理工作量，提高了农业管理智能化水平。

1 无线传感器网络的概述

1.1 无线传感器网络结构

无线传感器网络结构由传感器节点、网关和监控中心组成，如图1所示。传感器节点以人工部署或飞行器撒播等方式随机布置在监测区域内，具有采集信息、无线通信等功能，并通过自组织、多跳路由的无线网络将信息传输到网关，网关可以和监控中心的PC机直接通信，也可以通过移动通信网络、互联网（Internet）或卫星等多种无线方式与监控中心通信，监控中心可以显示采集到的信息，也可以对网络进行设置、管理以及监测任务等。

在不同的实际应用中，传感器节点设计各不相同，但它们的基本结构是一样的，主要包括传感器模块、微处理器模块、射频模块、电源模块。传感器模块主要负责监测区域内环境数据的采集和转换；微处理器模块是节点的核心模块，具有数据处理和存储，执行通信协议以及节点调度管理等功能；射频模块用于完成数据的发送、接收和传输等无线通信任务；电源模块为WSN节点提供所需的能量，决定了节点的寿命。

图1 无线传感器网络结构

1.2 无线传感器网络特点

1.2.1 网络规模大、节点密度高 为了保证获取的信息精确、完整，往往可能有成千上万个传感器节点密集部署到监测区域内。

1.2.2 无中心和自组织性 无线传感器网络是一个对等网络，所有结点地位平等。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点启动后就可以快速、自动地组成一个独立的网络。

1.2.3 动态拓扑 节点的移动、加入或退出网络，都会使无线传感器网络的拓扑结构发生变化，这就需要网络具有动态拓扑功能。

1.2.4 以数据为中心 在WSN中， 人们只会关心某个区域内某个观测指标的数据， 而不会去关心具体单个节点的观测数值。

1.2.5 硬件资源和电源容量有限 由于传感器节点的处理器能力比较弱、存储器容量比较小，因此其在计算能力、存储容量、通信能力和电源能量等方面受限。

2 无线传感器网络在智能农业中的应用

2.1 智能农业

对于传统农业，主要通过人们的感知能力对影响农作物生长的各种因素进行辨别，具有极大的不准确性，这样农业管理也就达不到精细化的要求，成为一种粗放型管理，伴随随着科学技术的发展和城镇化的改革，对传统农业的要求不断提高。因此，将先进技术应用于农业中，所谓的智能农业随之产生。

智能农业是将人工智能技术应用于农业领域的一项高新技术。智能农业系统覆盖了从影响农业生产的自然参数的采集，到利用知识推理和计算机技术进行参数分析，最终通过农业专家系统指导农业生产的整个生产管理链。

2.2 应用研究现状

2.2.1 温室环境

2009年，Leong等[2]利用WSN设计与实现了温室环境监测系统，传感器网络部署在一个生产莴苣的商业温室中，根据传感器节点采集到的信息，可对影响莴苣生长的温度和营养液进行优化控制，也验证了星型网络可靠性比较高。

2011年，王福禄等[3]组建了基于ZigBee的温室环境监测系统，通过电源和功耗的检测和育苗温室的现场试验，该系统能够高效、实时采集温室环境信息，具有低功耗，电源供电稳定，高可靠性等特点。

2012年，赵春江等[4]设计了由CC2430和 LPC1766 芯片及串口摄像头组成的图像传感器节点，该节点可以采集、传输及显示温室环境图像信息，满足获取温室生产履历信息的要求。

2.2.2 节水灌溉

2009年，Alberto等[5]在托斯卡纳（意大利）对容器中生长的植物进行灌溉管理研究，讨论了传感器集成在无线网络中的计算机控制的灌溉和创新的灌溉策略如双水灌溉，其目的是提高农作物灌溉效率。

2011年，赵养社[6]设计了基于WSN与GPRS的灌溉系统，选择了墒情传感器埋入地下的深度，给出了根系发育层墒情指数的计算公式，并实现传感器节点的能量监控，及时提醒用户更换节点。

2012年，孙燕等[7]基于 ZigBee 技术、无线移动网络（ TD-SCDMA）和Internet，设计了实时在线的自动节水灌溉远程监控系统。该系统采用了节能的设计方案；利用作物自身冠层的温度决定是否需要灌溉；增加了语音提示功能；解决了在环境复杂、遮挡物较多等干扰情况下的传感器节点部署问题。

2.2.3 畜禽养殖

2010年，Hwang等[8]采用WSN技术组建了一个无处不在的猪场养殖系统，该系统为用户提供了环境监测和可追溯性管理，从而实现猪肉品质改善和增产。

2011年，庞超等[9]提出了基于RFID技术与WSN技术相结合的奶牛养殖信息溯源系统，系统在奶牛检验合格后安装电子耳标，在饲养过程中用手持读写器采集饲喂、繁殖、病疫等信息，通过WSN 网络传输到溯源数据中心，实现奶牛溯源信息高效采集与实时传输。

2013年，张飞云[10]开发了基于ZigBee技术的猪舍控制系统。通过对猪舍内温湿度和氨气浓度的实时监测，用来自动控制换气扇的转速和保温门的状态，其目的在于自动控制猪舍环境。

3 结语

无线传感器网络是一种全新的信息获取与处理技（下转第13页）（上接第9页）术，将其应用到农业生产和管理中，可以对农业生产环境进行智能感知、智能预警、智能分析和智能决策，实现农业生产的精准化种植、可视化管理及智能化决策。本文通过对无线传感器网络在农业中应用研究现状的介绍，可见在节能问题、节点部署、通信距离等关键技术上仍存在许多问题需要解决。但是随着相关技术的发展、完善和关键技术的解决，无线传感器网络必将广泛应用于农业生产中。

【参考文献】

[1]崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005，42（1）：163-174.

[2]Leong B T，Chan T K，Sellappan P.Monitoring of an Aeroponic Greenhouse with a Sensor Network[J].IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security，2009，9（3）：240-246.

[3]王福禄，房俊龙，张喜海.基于无线传感器网络的温室环境监测系统研究[J].东北农业大学学报，2011，42（2）：59-64.

[4]赵春江，屈利华，陈明，等.基于 ZigBee 的温室环境监测图像传感器节点设计[J].农业机械学报，2012，43（11）：192-196.

[5]Alberto Pardossi， Luca Incrocci， Giorgio Incrocci，et al.Root Zone Sensors for Irrigation Management in Intensive Agriculture[J].Sensors ， 2009， 9 （4）：2809-2835.

[6]赵养社.基于无线传感器网络和GPRS网的灌溉系统研究[J].安徽农业科学，2011，39（7）：4203-4206.

[7]孙燕，曹成茂，马德贵.基于ZigBee网络的节水灌溉自动控制系统研究[J].农机化研究，2012（6）：153-156.

[8]Hwang J，Yoe H.Study of the ubiquitous hog farm system using wireless sensor networks for environmental monitoring and facilities control[J].Sensors，2010，10（12）：10752-10777.

[9]庞超，何东健，李长悦，等.基于 RFID 与 WSN 的奶牛养殖溯源信息采集与传输方法[J].农业工程学报，2011，27（9）：147-152.

[10]张飞云.基于ZigBee无线网络的智能猪舍控制系统设计[J].广东农业科学，2013（15）：185-187.