无线传感器网络在农业领域的应用研究

美国华盛顿州20世纪80年代在全州铺设了公共农业气象系统网，其最初目的是为节水灌溉和霜冻监测提供区域蒸腾估计。近年来，该农业气象系统网在综合虫害治理方面也发挥了作用。这套系统收集的数据在1997年实现了网上共享。但是，这套系统的数据存储、租赁特定传输频率对数据每小时传输一次的数据传输技术已经过时。为此，华盛顿州立大学精准农业系统中心开发了两套无线传感器网络技术：一套是基于AWN200硬件技术的区域无线传感器网络技术，已经配备到华盛顿州的所有农业区；另一套是用于农田霜冻监测的无线传感器网络技术（SS100）。在原来农业气象系统网技术基础上设计的AWN200是一套具有3层系统拓扑结构的无线传感器网络，通过结点（slave）—复制器（repeater）—主数据站（master）的结构把原来的系统数据存储和传输功能全面更新。每个AWN200结点有TCP／IP协议，可以直接接入互联网。每个农业气象结点能够获得太阳辐射、气温、相对湿度、叶子湿度、降雨、风速、风向、土壤温度和湿度等数据。每个结点的能量供应根据电力条件而定，有交流电的用交流电，否则用太阳能和电池相结合。AWN200硬件包括数据存储器、900 MHz变频扩谱（Frequency Hopping，Spread Spectrum，FHSS）大范围无线电传输设备。一个主数据站与多个复制器构成一个区域的无线传输主干网。结点由复制器链接，再由主数据站组网形成整个网络并接到中心数据库，为后续处理和发布提供支撑。AWN200的软件由硬件上的固化软件和农业气象系统网应用软件AgWeather－Net（http：／／www．eather.wsu.edu）两部分组成。SS100是一套更加廉价的数据存储、无线传输及相应软件，能够提供可移动、实时的数据获取和管理。这两套技术已经商品化。

传统结点的有效传输距离有限（0.1～1km级），给大区域布设无线传感器网络带来困难。Jurdak等人提出一种多层的可扩展的传感器统一管理与控制结构（SUMAC）用于农田无线传感器网络的建设。通过在传统结点上增加一层中程无线网状网络为分散的小范围结点簇搭建一个大范围数据获取的桥梁。SUMAC使用统一的协议，减少互联网使用需求，使网络用户拥有完整的数据所有权。这种网络结构容易管理，安全、快捷、节电，而且便宜。

农业灌溉系统中，对农田灌溉决策最重要的两个因素是作物物候和土壤湿度。除了取土烘干称重法外，人们设计了张力计，电阻传感器和介电传感器间接测量土壤湿度。Pardossi等人利用无线传感器网络技术搭建土壤层传感器平台监测土壤湿度。他们考虑了缺水性灌溉、零径流灌溉、灌溉施肥（Fertigation）情况下的土壤层传感器在土壤湿度测量方面的应用。

Kotamäki等人在芬兰南部一个流域搭建了SoilWeather WSN用于采集农业气象、土壤湿度、水体混浊度等信息为农业和水利管理决策服务，着重研究如何有效维护网络系统，减少数据误差。经过验证，网络能够提供近实时、连续的高精度农情参数数据。他们认为面对大量连续数据需要进一步研究原始数据处理和网络维护能力，同时不同用户的数据共享也对未来大范围数据获取与应用构成挑战。(www.xing528.com)

国内无线传感器网络在农业领域的应用研究也是如火如荼，在国家发展和改革委员会的支持下，中国科学技术大学、中国科学院计算技术研究所和国家水利部淮河水资源保护局合作设计了无线传感网络精准农业监测系统［6］，该系统在位于蚌埠市的安徽省农业科技示范园区获得初步应用。20多个结点被均匀地布置在面积大约1 200m2的花卉大棚内，结点类型包括土壤温度传感器、土壤湿度传感器和光照传感器等。当系统运行时，每个传感器结点将附近的环境信息和自身的状态信息经过自组织多跳路由传递给基站，然后通过本地服务器上的数据获取程序将数据传输到远程服务器上。

浙江农林大学、浙江工业大学、上海淮智信息技术有限公司合作设计了基于无线传感器网络的设施农业环境自动监控系统，它主要由传感器结点执行机构网关和上位机管理软件组成。