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1、农业仪器权威门户农业仪器权威门户 http:/ 11 号 联系电话：0571-81953317 http:/ CAN总线通信方式和基于掌上电脑的通信方式为主要形式，无线通信模式又可以分为长距离无线通信（GSM/GPRS 等）和短距离通信（蓝牙/ZIGBEE 等）2，无线通信模式由于其自身组网方便、适应性强、成本低等特点，在农业生产现场数据采集方面非常大的发展应用空间。无线传感器网络可以实现长距离无线通信和短距离无线通信模式的无缝连接，实现农业生产现场数据信息的远程自动采集，将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后，再经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或
2、存储记录的过程。田间数据的实时采集、传输与处理是实施精准农业的关键环节。无线传感器网络通过临时组网的方式在恶劣环境中支持移动节点之间的数据、语音、图像和图形等业务的无线传输，该技术可以广泛应用在农业现场数据信息采集、农业生产设备的智能化控制等各个生产环节，对今后现代农业的发展将起到重要的支撑作用，具有重要的社会和经济意义。1 无线传感器网络介绍1.1 传感器网络的发展农业仪器权威门户农业仪器权威门户 http:/ 11 号 联系电话：0571-81953317 http:/ 20 世纪 70 年代，出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，为第一代传感器网络；由于这
3、种网络并不具备获取多种信息信号的综合处理能力，无法与传感控制器相联，这些先天的技术缺陷限制了第一代传感器网络的推广应用，逐渐由智能传感器和现场控制站构成的第二代传感器网络替代；20 世纪末，基于现场总线（field bus）技术开始应用于传感器网络，实现了其与互联网更紧密的联系，为第三代传感器网络；随着 MEMS 技术、数字电路技术和无线射频技术的飞速发展，无线传感器网络是目前最为先进的传感器网络形式，具有成本低、适应性强、效率高等特点，可视为第四代传感器网络，在今后农业生产现场信息采集中有广阔的应用空间。1.2 无线传感器网络的体系结构由于面向不同的应用，对传感器节点及网络传输的要求都不一样
4、，导致无线传感器网络的体系结构也有繁有简。一般说来，无线传感器网络的体系结构（图 1 略）包括三部分，第一部分是无线收发器，其职责是将传感器获取的数字信号转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。就目前研发水平而言，IEEE 802.15.4 是无线传感器应用的最佳方案。目前全球有多家公司提供这方面的收发芯片。像 TI 公司的CC2420/CC2520 等芯片都具有适用于钮扣电池和低电能应用的低功耗特性。随着技术发展，将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统（SoC）的工艺也逐渐成熟，如 TI 公司推出了采用 8051 内核的 CC2430/CC2431
5、 等 ZigBee 无线单片机，Freescale 公司也推出了 ARM 内核的 32 位 ZigBee 无线单片机。使用这些SoC 无线单片机设计无线传感器网络，将使无线传感器节点具有更小的体积，更低的功耗和更低的价格。无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件，也称软件协议栈（network stack），网络堆栈的作用有两个：对网络自组织，自恢复的能力和路由算法能力。前者要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰，后者确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑（星状/网状等等）从源节点发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。无线传感器网络构架
6、第三部分是应用软件，这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，这些代码目前大部分是采用 C 语言来进行开发，可以之间以接口和 API 方式，调用软件协议栈的功能。农业仪器权威门户农业仪器权威门户 http:/ 11 号 联系电话：0571-81953317 http:/ 无线传感器网络的特点无线传感器网络在设计上不同于传统的无线网络（如无线局域网 WLAN、蜂窝移动电话网 GSM 和 CDMA 网络等），传统无线网络可应用于高度移动的环境中，强调无线资源管理策略和服务质量保证（QoS），而在无线传感器网络应用系统中，节点往往是低速运动的或者静止的，强调以数据为中心，关心节点采集到的环境信息。无
7、线传感器网络主要有如下特点：（1）无中心性。无线传感器网络的传感器节点地位平等，网络中的节点通过分布式算法来协调彼此的行为，无需人工干预和任何其他预置的网络设施，可以在随时随地快速展开，自动组网。它消除了中心节点，没有绝对的控制中心，是一种完全分布式的网络结构，因此具有很强的健壮性和抗毁性。这个特性迎合了农业生产现场数据采集环境恶劣对网络健壮性要求较高的特点。（2）多跳路由。无线传感器网络各节点的覆盖范围一般较小，当它要与其覆盖范围之外进行通信时，就需要利用中间节点的转发，形成网络的多跳路由的特性。无线传感器网络中的多跳路由是由普通节点协作完成的，而不是由专用的路由设备（如路由器）完成。农业生
8、产环境较一般的室内环境更为恶劣，传感器网络节点的能源供应需要靠电池来供应，要保证网络的使用寿命，决定了每个节点的工作功率较低，覆盖范围较短，然而农业生产环境的地域范围却比较广，无线传感器网络的多跳性特性能较好的解决这一矛盾。（3）动态变化的拓扑结构。在无线传感器网络中，节点具有很强的移动性，加之无线收发器发射功率的时变性、地形对无线信号的影响，以及无线信道之间的相互干扰，使得移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。（4）移动终端的局限性。无线传感器网络中，移动终端具有灵巧便携的优点，移动节点通常采用电池等易耗品作为能量来源，但是这些便携式的优点导致
9、终端节点受体积、功率、容量等的限制而存在一些固有的缺陷。例如，处理器性能较低，存储器容量较小，显示屏等外设较为简单等。这些都给开发无线传感器网络上的应用程序带来一定的挑战，也导致终端节点的性能局限性较大。无线传感器网络要尽量降低应用程序的复杂度和减少计算量。在农业生产现场的数据采集主要是各类环境参数，对数据的传输和处理的要求相对较低，无线传感器网络移动终端的局限性对其在农业现场的应用影响不大。农业仪器权威门户农业仪器权威门户 http:/ 11 号 联系电话：0571-81953317 http:/ 无线传感器网络在农业现场数据采集中的应用现状及需要解决的问题农业生产过程中面临许多挑战，比如：
10、气候的变化，水资源短缺，环境污染等。生产过程中依靠经验、目测等传统方法来做决定显然是不科学的，依靠现代化的设备和通信进行农业生产是必然趋势，即精细农业。目前精细农业生产主要是基于 3S 技术（GPS、GIS、RS）。利用 RS 作宏观控制，GPS 精确定位地面位点到米级以内，GIS 将地面信息（地形地貌、作物种类和长势、土壤质地和养分水分状况等）进行存储、处理和输出，再与地面的信息转换、实时控制、地面导航等系统相配合，按区内要素的空间变量数据精确设定最佳耕作、施肥、播种、灌溉、喷药等多种农事操作。将操作单元缩小到平方米，使传统的粗放生产变为精细农作，从而可以显著提高水、肥、农药的利用效率，以最
11、经济的投入获得最佳产出及减少对境的污染。无线传感器网络作为一种新的数据采集技术，具有信息精准、部署简单、布置密集、低成本和无需现场维护等优点，为农业科学研究数据的快速、精确获取提供方便。下面简要介绍无线传感器网络在农业现场数据采集的应用现状及其问题。2.1 国外现状早期在农业上应用传感器网络监测微气候，比如 2004 年 J. Burrell 等人在葡萄园里农业仪器权威门户农业仪器权威门户 http:/ 11 号 联系电话：0571-81953317 http:/ Baggio 在 2005 年把无线传感器网络布置在土豆田，通过测量土壤和空气湿度、温度、地下水位及气象信息等参数，来预测土豆的病
12、虫害的发生。农作物病虫害的发生与多种参数信息相关，通过无线传感器网络测量的土壤和气象参数并不足以预测病虫害信息。另外，该文完成时，网络平台刚刚组建，传感器节点还没有进行装配，也没有开展相应的数据采集工作，相应实验结果未能在文献资料中找到。2007 年，澳大利亚的 Tim Wark 等在牧场布置无线传感器，用以指导牧场灌溉、施肥以及放牧，并且将无线传感器节点安置在动物身上对动物吃草情况及相互交流的行为进行检测，避免了有线线路对动物生活的干扰。据估计，70%的淡水用于农业，而农业用水中的 40%由于蒸发等因素被浪费掉。2008 年，印度的 Jacques Panchard 利用 Shockfish 公司的 Tinynode 为传感器节点，Mamaboard 为基站组建了无线传感器网络，传感器节点间的距离为 200m，不用在农业现场设置计算机，利用 GPRS 无线通信技术和 internet 连接至远程的数据库服务器。该系统通过地面传感器组成无线传感器网络，监测土壤含盐量、湿度，温度，降水量等，另外
