欒 劍 渤海大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 錦州 121000

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的發(fā)展

欒 劍 渤海大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 錦州 121000

【文章摘要】

近些年來，我國的科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展與進(jìn)步，然而農(nóng)業(yè)的發(fā)展仍處在使用傳統(tǒng)方法當(dāng)中，落后于發(fā)達(dá)國家，為了使我們的農(nóng)業(yè)發(fā)展可以與國際接軌，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中有著必不可缺少的作用。農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)——農(nóng)業(yè)信息傳輸?shù)闹匾椒ㄖ唬话闶抢脗鞲衅鞑杉鞣N數(shù)據(jù)，并通過農(nóng)業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)形成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，旨在可以幫助農(nóng)民及時(shí)地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所發(fā)生的問題，這樣可以及時(shí)解決問題，避免問題給農(nóng)業(yè)造成無法彌補(bǔ)的影響，重要的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以準(zhǔn)確地確定問題發(fā)生的具體位置，避免農(nóng)民盲目地查找。本文首先從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立為出發(fā)點(diǎn)，向我們介紹其結(jié)構(gòu)，接著對(duì)我們常見的農(nóng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比分析，然后舉例說明在農(nóng)業(yè)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，最后提出我們應(yīng)該大力發(fā)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的號(hào)召。

【關(guān)鍵詞】

農(nóng)業(yè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN），顧名思義一種可以與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無線連接的網(wǎng)絡(luò)。它是由分配在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，并且構(gòu)成了一個(gè)自組織的多跳系統(tǒng)的大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一種分布式的網(wǎng)絡(luò)。“觀察者、感知對(duì)象和傳感器”共同形成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以堪稱中國乃至世界信息領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一，與多門學(xué)科相互補(bǔ)充，相互關(guān)聯(lián)。隨著工作者在不斷地研究探索無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器價(jià)格在逐漸地降低，重要的是有關(guān)農(nóng)業(yè)等其它方面問題的解決方案在改進(jìn)中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在未來的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中將會(huì)有更大的用處，會(huì)給人們帶來更多的福利。

1.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)一般是由傳感器節(jié)點(diǎn)、任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)共同組成。傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)無序地分配在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有采集數(shù)據(jù)信息的功能，并且可以把采集到的數(shù)據(jù)信息通過自行組織多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無線連接并且將傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的數(shù)據(jù)信息傳送給衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)，再利用衛(wèi)星或互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)傳感器與任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)之間的通信(如圖1)。

圖1　

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

1.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)處理和通信能力相比較而言較弱，因此攜有小容量電池對(duì)其進(jìn)行供電。匯聚節(jié)點(diǎn)是一個(gè)特殊的網(wǎng)關(guān)，因?yàn)樗鼉H有無線通信接口，但是不具有監(jiān)測的功能。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。

能量供應(yīng)模塊、無線通信模塊、傳感器模塊和處理器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的四大組成部分，如圖2所示為傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。傳感器模塊有兩個(gè)主要的任務(wù)，一是在區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的采集，二是進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)換；處理器模塊主要任務(wù)不僅是可以對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)做出的所有操作實(shí)行控制，還可以對(duì)其它節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，同時(shí)也可以處理或存儲(chǔ)自己本身所收集到的數(shù)據(jù)信息；能量供應(yīng)模塊的主要任務(wù)是為正處于運(yùn)行狀態(tài)的傳感器節(jié)點(diǎn)提供能量；無線通信模塊是使其它的傳感器節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行無線通信并且交換、收集和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

1.4農(nóng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)比分析

優(yōu)良的無線電傳播應(yīng)具有連通順暢的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)組網(wǎng)，以及可以正常工作的性能。然而，多變的農(nóng)業(yè)環(huán)境會(huì)造成傳感器節(jié)點(diǎn)之間的無線電傳播的傳輸功能受到一些不可避免的影響。因此，我們是無法真正的模擬農(nóng)作物生長的真實(shí)環(huán)境，如果我們只是一味的通過增加節(jié)點(diǎn)等形式來來解決無線通信問題，這種做法不僅會(huì)增加節(jié)點(diǎn)的部署難度，也會(huì)使成本增加，是一種不可取的方法。

任意一種傳感器在不同的農(nóng)業(yè)環(huán)境中有不相同的適應(yīng)性。在農(nóng)業(yè)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)使用2.4Ghz 、780Mhz 和433Mhz這三個(gè)無線頻段，表2-1為三種不同頻段的對(duì)比分析。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用

2.1節(jié)水灌溉應(yīng)用

我國的水資源狀況不是很樂觀，雖然水資源的總量位居世界前列，但是我國人口數(shù)量大，因此人均水資源的占有量很低。農(nóng)業(yè)的用水量排在第一位，占用水總量的62%左右。然而我國農(nóng)作物的灌溉工作，大部分仍然是采用人工灌溉的方法，人工灌溉農(nóng)作物，水的利用率比較低，大量的浪費(fèi)了水資源。為了有效地解決農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)的問題，提高農(nóng)業(yè)用水的利用率，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著不可或缺的作用。利用墑情監(jiān)測系統(tǒng)我們可以有效地解決節(jié)水灌溉的難題，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的農(nóng)作物，不同的地區(qū)等分析計(jì)算出農(nóng)作物需要灌溉的時(shí)間及灌溉的水量，這樣我們可以達(dá)到節(jié)水的目的。

2.2水產(chǎn)養(yǎng)殖應(yīng)用

作為農(nóng)業(yè)重要組成部分之一的水產(chǎn)養(yǎng)殖，水體質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響水產(chǎn)的生長的質(zhì)量及水產(chǎn)的產(chǎn)量。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式通常是漁民們大量投入飼料和有機(jī)肥使水產(chǎn)的產(chǎn)量增多。當(dāng)漁民發(fā)現(xiàn)水產(chǎn)發(fā)病時(shí)向水體中投入殺蟲藥，這種做法也許會(huì)適得其反，因?yàn)椴粌H會(huì)導(dǎo)致水體受到污染，對(duì)水產(chǎn)的生長也會(huì)造成影響，嚴(yán)重情況會(huì)導(dǎo)致水產(chǎn)的大量死亡。因此傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖的方法以不再適用于大面積的水產(chǎn)養(yǎng)殖，我們可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)水體的溫度、pH值、溶解氧進(jìn)行實(shí)時(shí)地監(jiān)測并且把收集到的水體數(shù)據(jù)信息及時(shí)地傳送，讓工作人員對(duì)收集到的結(jié)果進(jìn)行分析并解決所出現(xiàn)的問題。

2.3溫室環(huán)境應(yīng)用

利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地監(jiān)測室內(nèi)的溫度，空氣濕度、陽光照射強(qiáng)度、空氣中CO2的濃度、土壤的營養(yǎng)成分、水分含量、pH值等影響農(nóng)作物生長的的環(huán)境相關(guān)信息是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境應(yīng)用的本質(zhì)特征。同時(shí)，將專家對(duì)農(nóng)作物設(shè)計(jì)的信息與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比，并及時(shí)調(diào)整農(nóng)作物生長環(huán)境，光、水、肥、氣等因素調(diào)整到最佳的狀態(tài)，使農(nóng)作物有一個(gè)適合它生長的環(huán)境。圖3為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室環(huán)境應(yīng)用的結(jié)構(gòu)圖。

2.4家禽健康狀況的應(yīng)用

表2-1　無線頻段對(duì)比

圖3　溫室環(huán)境應(yīng)用的結(jié)構(gòu)圖

目前的畜牧業(yè)發(fā)展迅速，然而也家禽的各種流行病也肆意橫行（禽流感，H1N1等），給社會(huì)帶來的嚴(yán)重的后果?，F(xiàn)在，我們判斷家禽是否健康大多采用人工觀察的方法，這種做法不僅會(huì)消耗大量的人力、時(shí)間，最重要的是有時(shí)人們的判斷是錯(cuò)誤的，如果不能及時(shí)的判斷出家禽是否患病并醫(yī)治，會(huì)導(dǎo)致病情擴(kuò)散，造成嚴(yán)重的損失。我們可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)實(shí)時(shí)對(duì)家禽的健康信息進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警，這樣可以對(duì)患病的家禽及時(shí)醫(yī)治，將損失降到最低。

3 結(jié)論

盡管無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）在農(nóng)業(yè)中有了一部分的有應(yīng)用，但是它還是一門新的技術(shù)，其本身還有很多的問題需要我們更深入的研究和改進(jìn)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。對(duì)農(nóng)民、對(duì)社會(huì)的繁榮發(fā)展有很大作用。

【參考文獻(xiàn)】

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欒劍：1993年，女，滿族，遼寧省撫順市，渤海大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)（軟件開發(fā)方向），本科生

【作者簡介】