贾朋飞
河南省纳禾自动化系统有限公司 河南郑州 451162
摘要:无线传感器网络结合了传感器、微处理器和无线通信接口，是一门日益引起人们研究兴趣的技术。作者结合农业的实际特点，综述了无线传感器网络在农业中的研究现状及涉及的关键技术，最后分析了无限传感器网络在农业中的应用前景，为无线传感器网络在农业中的深入应用拓宽思路。 关键词:无线传感器网络;农业;研究现状;关键技术
1无线传感器网络概述
1.1系统架构
通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点密布于观测区域，以自组织的方式构成网络。传感器节点对所采集信息进行处理后，以多跳中继方式将信息传输到汇聚节点。然后经由互联网或移动通信网络等途径到达管理节点。终端用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或收集回传数据。
1.2特点
（1）自组织。由于网络所处物理环境及网络本身的不可预测因素，如：不能预先精确设定节点的位置，也不能预先知道节点之间的相邻关系，部分节点由于能量耗尽或其他原因而死亡，新的节点的加入等，使得网络的布设和展开能够无需依赖于任何预设的网络设施，节点之间通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速自动地组成一个独立的网络多跳路由。多跳路由。网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信，如果与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。（3）大面积的空间分布，节点密集，数量巨大。（4）以数据为中心。在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具体关心单个节点的观测数据。(5)节点能力受限。传感器节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。①电源能量受限。由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。②计算和存储能力有限。廉价微型的传感器节点带来了处理器能力弱、存储器容量小的特点，使得其不能进行复杂的计算，而传统Internet网络上成熟的协议和算法相对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，因此必须使用简单、有效的协议及算法，如ZigBee协议。③通信能力有限。通常，无线通信的能耗E与通信距离d的关系为：E=kdn。其中2<n<4。通常取n为3。
2无线传感器网络存在的不足
（1）能量受限。传感器节点通常由普通电池或锂电池供电，能量有限。在无人值守的环境中，也是无线传感器网络应用的瓶颈之一。（2）节点成本较高。目前市面上销售的传感器节点价格在千元以上，而无线传感器网络所需要的节点众多，因此限制了无线传感器网络的推广使用。（3）安全性差。由于采用了无线信道、分布式控制等技术，网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击。（4）协作能力。单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而需要多个传感器节点通过算法交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，得到最终结果。
3无线传感器网络的农业应用
目前无线技术在农业中的应用比较广泛，但大都是具有基站星型拓扑结构的应用，并不是真正意义上的无线传感器网络。
农业一般应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确地确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园。传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得大丰收。澳大利亚的CSRIOICTCenter将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况(脉搏、血压等)和外界环境进行监测，研制成完善的草地放牧与动物模型。以上是目前为数不多的无线传感器网络应用事例，其实无线传感器网络在大农业中的应用远不止这些，下面分别提出一些简单的应用思路和设想。
3.1温室环境应用
在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点(风机、低压电机、阀门等工作电流偏低的执行机构)构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、CO2浓度等来获得作物生长的最佳条件，同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点，为温室精准调控提供科学依据。最终使温室中传感器、执行机构标准化、数据化，利用网关实现控制装置的网络化，从而达到现场组网方便、增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。
3.2节水灌溉应用
具有简单控制功能的无线传感器网络节点，采用电池供电通过相关的电源处理可以控制不同中小功率的直流电磁阀(电动水动电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀及流量控制阀等)，加上节点的休眠状态将网络的工作时间延长到一年以上，如果采用太阳能电池板供电，能源方面就不需要过多的考虑。由于传感器网络多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积，节点数量不受到限制，可以灵活增减轮灌组，加上节点具有的土壤、植物、气象等测量采集装置、通信网关的Internet功能与RS和GPS技术结合的灌区动态管理信息采集分析技术、作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域，实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水农业的快速和健康发展[5]。
3.3环境监测及动植物生理生态监测
通过布置多层次的无线传感器网络检测系统，对牲畜家禽、水产养殖、稀有动物的生活习性、环境、生理状况及种群复杂度进行观测研究，也可用于对森林环境监测和火灾报警(平时节点被随机密布在森林之中，平常状态下定期报告环境数据，当发生火灾时，节点通过协同合作会在很短的时间内将火源的具体地址、火势大小等信息传送给相关部门)。同时也可以应用在精准农业中，来监测农作物中的害虫、土壤的酸碱度和施肥状况等。
4结语
无线传感器网络结合了现有的多种先进技术，为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径，同时也给人们提出了很多新的挑战。本文通过对无线传感器网络节点构成、体系结构、研究热点及在农业中应用的介绍，可见无线传感器网络对国家和社会意义重大，国外对于传感器网络的研究正热烈开展，希望本文引起国内同行对此方面的重视，早日将无线传感器网络成熟应用于农业中。
参考文献
[1]柳平增，孟祥伟，田盼，等．基于物联网的精准农业信息感知系统设计[J]．计算机工程与科学，2012，34(3):137-141．
[2]司海飞，杨忠，王珺．无线传感器网络研究现状与应用[J]．机电工程，2011，28(1):16-20．
[3]胡泮，杨鹏，史旺旺，等．基于WSN的低功耗水稻土壤水分监测系统[J]．农机化研究，2015(1):100-104．
[4]李晓东，吴永烽，李光林，等．基于太阳能的无线土壤水分传感器的研制[J]．农业工程学报，2010，26(11):13-18．
[5]樊宏攀，李建良，刘正道．基于WSN的设施农业调光系统设计[J]农机化研究，2013，35(12):178-181．