农业环境信息无线传感器网络监测技术研究进展

　　摘要：无线传感器网络是实现农业环境变量信息多方位、网络化远程监测的主要技术手段。无线地上传感器网络应用研究集中在作物不同生长期内节点布设距离和高度以及作物高度等对无线电信号传输损失的影响，从而合理选择节点布设参数。无线地下传感器网络应用研究集中在气象环境、土壤类型、土壤含水率、土壤结构与成分、节点埋藏深度、节点距离、频率与功率范围、网络拓扑结构、路由算法、组网方式等对电磁波多路径传输的路径损失、误码率、最大传输距离、含水量测试误差等方面的影响。研究指出，300～500MHz的频率更适合土壤无线地下传感器网络，其最大传输距离为5m，传输距离将是系统大面积推广应用的主要限制因素。今后重点应研究433MHz电磁波在不同土壤和空气多层介质中的传输特性、信道模型及路径损失，优化节点和网络技术参数，确定不同农业应用环境条件下传感器网络节点合理位置和最优的网络拓扑结构方案。

　　关键词：无线传感器网络，农业环境，监测，节点，电磁波，传输特性

　　0、引言

　　农业环境信息包含作物生长的空间气象信息和土壤环境参数信息，是一种空间多元信息互联融合立体化网络，这些信息的感知、处理、集成和应用是农业环境信息技术研究的主要内容。由于农业地域分散、地形多变、环境条件不同等特点，多方位、网络化、准确、快速、有效的采集作物生长环境变量信息的方法，是农业环境信息技术研究领域要解决的首要问题之一。

　　无线传感器网络（wirelesssensornetworks，WSN）技术的出现和应用是解决该问题的主要技术手段。农业环境信息无线传感器网络是由部署在区域农田内大量集成化传感器协作地实时感知、监测作物、土壤、气象等信息，通过嵌入式系统对信息进行智能处理，并通过随机自组织无线通信网络将所感知的信息传送到诊断决策中心，实现农业环境及作物信息的远程集群化监测和管理。

　　农业环境信息无线传感器网络近年来得到了快速发展，已用于农业灌溉、耕作、施肥管理等方面。根据目前的应用研究成果，无线传感器网络在农业环境信息监测的应用研究包括无线地上传感器网络系统和无线地下传感器网络系统两部分。

　　1、无线地上传感器网络技术

　　无线地上传感器网络近年来在农业领域主要用于灌溉水资源的管理决策、农产品储藏管理、作物收获时间确定、作物生长特性与肥料需求预测等方面。

　　J.A.Lopez等将无线传感器网络成功应用于西班牙半干旱地区Murcia的一个甘蓝农场土壤体积含水率、温度和盐分的监测，设计了包括分布在田间的土壤节点、环境节点、水节点和网关节点的4种类型节点的传感器网络拓扑结构，给出了每种节点的软件和硬件组成。整个系统由农场管理办公室的中央处理计算机进行管理和实时测量。系统测试分实验室测试和田间测试两阶段进行。实验室主要对系统设备的功能、网络性能及能耗进行分析；田间测试主要是对系统的测量范围、鲁棒性和可靠性进行测试。

　　O.Green等提出了利用无线传感器网络监测饲料仓内不同位置的温度变化，传感器网络节点通信频率为433MHz，发射功率为10mW。试验结果表明被埋藏在饲料仓的25cm和50cm的深度的温度传感器节点可以将温度信号可靠地传输至网关节点，信号传输的可靠性在98.9%和99.4%之间；利用传感器网络监测结果对饲料仓内不同位置的温度变化进行建模，预测精度在90.0%和94.3%之间。

　　李莉等针对无线传感器网络是一种能量受限的网络，根据节点数目以及分布区域特征，确定合理的成簇数目，给出节点在通信中使用的能量模型，按照分簇的增刊不同层数，分别对其成簇的数目进行理论上的优化分析和实验的方法验证。李莉等将无线传感器网络应用温室环境的监测，系统控制终端基于ARM9和嵌入式Linux操作系统进行设计，用于温室环境数据的接收、实时显示和存储，通过GPRS方式实现与远程管理中心的通信。

　　温室环境数据的采集利用无线传感器网络完成，可采集温室温度、湿度、CO2含量、光照强度,基质温度和湿度等6通道参数信息。

　　张荣标等实现了基于ZigBee的无线传感器网络的温室无线监控系统的通信，根据温室结构特征提出一种动态星型无线传感器网络的框架，从低成本低功耗角度出发，移动的汇聚节点采用定时跳频方法与子节点形成子网，以尽量缩短点对点之间的通信距离。利用帧扩展的方法实现了以低功耗无线射频芯片NRF2401A构成复杂的通信网络，并给出了传感器节点、控制节点和汇聚节点的通信算法。在汇聚节点不同的工作状态下，对网络子节点进行能耗分析。

　　蔡义华等设计了基于WSN的农田信息采集节点系统，结合嵌入式处理器开发了无线传感器网络节点和汇聚节点。网络节点规则分布在被监测区域，负责采集土壤水分信息,并自组成网，将信息发送给汇聚节点，实现对信息的动态显示和大容量存储；节点天线分别在0.5m、1.0m、1.5m和2.0m的4个高度下，对小麦苗期、拔节期和抽穗期3个典型的生长时期进行试验，得出无线电信号在小麦不同生长时期,最佳天线高度下的有效传输距离，为无线传感器网络在农业中的应用提供技术支持。

　　冯友兵等将无线传感器网络应用于节水灌溉系统的信息监测中，从灌溉需求和固定管道式喷灌系统的结构特点出发，设计了一个两层无线传感器网络（WSN）体系结构。通过分析传感器传感半径和喷头射程之间的关系，从理论上得到了完全感知覆盖田块所需要最少传感器数的表达式及部署方法；结合网络结构和节点分工，给出了数据的传输方式，并通过分层故障诊断的方法确保数据传输的可靠性。

　　LiZ.和WangNin等试验研究了2.4GHz无线传感器网络应用于农田中的节点距离、收发器安置高度、作物高度三个因素对传输损耗的影响。在其他条件不变的情况下，传输损耗随节点距离增大。发送器高度和接收器高度设定了1m、2m和3m3个测量值。结果表明作物高度也是一个重要的影响因子，作物高度不一样，同样的节点距离，信号衰减（db）也不一样。作物植株高度增加，同等传输距离，传输损耗增加。最后指出在有效传输信号的前提下，通过分析决策可以选择最合适的田间节点布置距离。

　　2、无线地下传感器网络技术

　　目前的农业环境信息无线传感器网络多属于地上无线传感器网络系统，通常是用有线的方式将传感器连接到地面上的数据读取和无线收发设备，以避免在地下土壤中进行通信。这些暴露在地面上的设备不但影响耕作，无线节点本身也会因为地理、气象等自然因素使得自身的无线发射功能受到严重影响。基于这些弊端，一种无线地下传感器网络（wirelessundergroundsensornetworks，WUSN）为地下监测提供了新的手段，也成为农业环境信息技术研究的方向。