無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1、傳感器在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)近十年來(lái)，隨著智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，泛在通信網(wǎng)絡(luò)、智能感知芯片、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的 應(yīng)用逐步成為研究的熱點(diǎn)。文/國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心趙春江近十年來(lái)，隨著智能農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的開(kāi)展，泛在通信網(wǎng)絡(luò)、 智能感知芯片、移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用逐步成為研究的 執(zhí)占。八、八、°密集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種無(wú)中心節(jié)點(diǎn)的全分布系統(tǒng)。通過(guò)隨機(jī)投放的方 式，眾多傳感器節(jié)點(diǎn)被密集部署于監(jiān)控區(qū)域。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳 感器、數(shù)據(jù)處理單元、通信模塊和能源單元，它們通過(guò)無(wú)線信道相連， 自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其目的是協(xié)作

2、地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū) 域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集傳感器技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)和分布 式信息處理技術(shù)于一體，因其廣闊的應(yīng)用前景而成為當(dāng)今世界上備受 關(guān)注的、多學(xué)科高度交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中。人們獲取農(nóng)田信息的方式都很有限，主要是通過(guò)人 工測(cè)量，獲取過(guò)程需要消耗大量的人力， 而通過(guò)使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可 以有效降低人力消耗和對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息。目前無(wú)線技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用比擬廣泛 ，但大都是具有基站 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用，并不是真正意義上的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。農(nóng)業(yè)一般 應(yīng)用是將大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控

3、網(wǎng)絡(luò) , 通過(guò)各種傳感器采集信息 , 以幫助農(nóng)民及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題 , 并且準(zhǔn)確地確定發(fā)生問(wèn)題的位置 , 這樣農(nóng) 業(yè)將有可能逐漸地從以人力為中心、 依賴(lài)于孤立機(jī)械的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向以 信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式 , 從而大量使用各種自動(dòng)化、智能化、遠(yuǎn) 程控制的生產(chǎn)設(shè)備。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于溫室環(huán)境信息采集和控制。 在溫室環(huán)境里單個(gè)溫室即可成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一個(gè)測(cè)量控制區(qū), 采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)和具有簡(jiǎn)單執(zhí)行機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn) 風(fēng)機(jī)、低壓 電機(jī)、閥門(mén)等工作電流偏低的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)測(cè)量土壤 濕 度、土壤成分、 pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓、光照強(qiáng)度、 CO2 濃度等來(lái)獲得作物生長(zhǎng)的最正確條件 ,

4、 同時(shí)將生物信息獲取方法 應(yīng)用于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) , 為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。最終使溫室中 傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)據(jù)化 , 利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)控制裝置的網(wǎng)絡(luò)化 , 從而到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)方便、增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期、提 高經(jīng)濟(jì)效益的目的。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于節(jié)水灌溉。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)利用傳感器感應(yīng)土壤的水分， 并 在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門(mén)翻開(kāi)、關(guān)閉，從而到 達(dá)自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由、信息互遞、自組網(wǎng) 絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)間同步等特點(diǎn) , 使灌區(qū)面積、節(jié)點(diǎn)數(shù)量不受到限制 , 可 以靈活增減輪灌組 , 加上節(jié)點(diǎn)具有的土壤、植物、氣象等測(cè)量采集

5、裝置、通信網(wǎng)關(guān)的In ternet功能與RS和GPS技術(shù)結(jié)合的灌區(qū)動(dòng)態(tài)管理信 息采集分析技術(shù)、作物需水信息采集與精量控制灌溉技術(shù)、 專(zhuān)家系統(tǒng)技 術(shù)等構(gòu)建高效、低能耗、低投入、多功能的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉平臺(tái)?？稍跍?室、庭院花園綠地、高速公路中央隔離帶、農(nóng)田井用灌溉區(qū)等區(qū)域 , 實(shí) 現(xiàn)農(nóng)業(yè)與生態(tài)節(jié)水技術(shù)的定量化、標(biāo)準(zhǔn)化、模式化、集成化 , 促進(jìn)節(jié)水 農(nóng)業(yè)的快速和健康開(kāi)展。2022 年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)提出了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng) 田自動(dòng)節(jié)水灌溉構(gòu)建方案，設(shè)計(jì)了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤濕 度信息的實(shí)時(shí)采集和傳輸，通過(guò)灌溉控制器控制灌溉管網(wǎng)， 分區(qū)域?qū)崟r(shí) 灌溉并調(diào)節(jié)土壤濕度，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)農(nóng)業(yè)所要求的時(shí)

6、空差異性和水資源高 效利用。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于環(huán)境信息 和動(dòng)植物信息監(jiān)測(cè)。 通過(guò)布置多層次的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)系統(tǒng) , 對(duì)牲畜家禽、水 產(chǎn)養(yǎng)殖、稀有動(dòng)物的生活習(xí)性、環(huán)境、生理狀況及種群復(fù)雜度進(jìn)行觀測(cè) 研究, 也可用于對(duì)森林環(huán)境監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警 平時(shí)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)密布在森 林之中 , 平常狀態(tài)下定期報(bào)告環(huán)境數(shù)據(jù) , 當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí) , 節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié) 同合作會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)將火源的具體地址、 火勢(shì)大小等信息傳送給相 關(guān)部門(mén) 。同時(shí)也可以應(yīng)用在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中 , 來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng)、土 壤的酸堿度和施肥狀況等。形形色色的傳感器在十五期間，國(guó)家 863 方案數(shù)字農(nóng)業(yè)重大專(zhuān)項(xiàng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息 采集技術(shù)的突破，推出

7、了一批本錢(qián)低、高性能的土壤水分和作物營(yíng)養(yǎng)信 息采集技術(shù)產(chǎn)品，根本解決了數(shù)字農(nóng)業(yè)信息快速獲取技術(shù)瓶頸問(wèn)題。開(kāi)展了農(nóng)田水分、養(yǎng)分、作物長(zhǎng)勢(shì)、冠層生理與生態(tài)因子、品質(zhì)、產(chǎn)量和 蟲(chóng)害草害等信息采集關(guān)鍵技術(shù)研究， 開(kāi)發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型土 壤水分傳感器， 研制了土壤和作物養(yǎng)分信息快速采集方法與新型配套儀 器設(shè)備； 在蟲(chóng)害與雜草動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 的研究方面取得了重大進(jìn)展， 開(kāi)發(fā) 了基于稱(chēng)重傳感器的高精度智能測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)， 解決了智能測(cè)產(chǎn)與谷物品質(zhì) 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度難題；使我國(guó)農(nóng)業(yè)信息快速獲取邁出了新的步伐?，F(xiàn)代化溫室和工廠化栽培調(diào)節(jié)和控制環(huán)境控制溫度、濕度、 光照、噴灌量、通風(fēng)等培育各種秧苗，栽培各種果蔬和作

8、物。在這個(gè) 過(guò)程中， 需要溫度傳感器、濕度傳感器、 PH 值傳感器、光傳感器、離 子傳感器、生物傳感器、 CO2 傳感器等檢測(cè)環(huán)境中的溫度、相對(duì)濕度、 PH 值、光照強(qiáng)度、土壤養(yǎng)分、 CO2 濃度等 物理量參數(shù)，通過(guò)各種儀器 儀表實(shí)時(shí)顯示或作為自動(dòng)控制的參變量參與到自動(dòng)控制中， 保證農(nóng)作物 有一個(gè)良好的、適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。在果蔬和糧食的儲(chǔ)藏中，溫度傳感器發(fā)揮著巨大的作用， 制冷機(jī) 根據(jù)冷庫(kù)內(nèi)溫度傳感器的實(shí)時(shí)參數(shù)值實(shí)施自動(dòng)控制并且保持該溫度的 相對(duì)穩(wěn)定。氣調(diào)庫(kù)相比冷藏庫(kù)是更為先進(jìn)的貯藏保鮮方法， 除了溫度之 外，氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的相對(duì)濕度 RH、 O2 濃度、 CO2 濃度、乙烯 C2H4 濃度等均有相應(yīng)

9、的控制指標(biāo)。 控制系統(tǒng)采集氣調(diào)庫(kù)內(nèi)的溫度傳感器、濕 度傳感器、 O2 濃度傳感器、 CO2 濃度傳感器等物理量參數(shù)， 通過(guò)各 種儀器儀表適時(shí)顯示或作為自動(dòng)控制的參變量參與到自動(dòng)控制中， 保證 有一個(gè)適宜的貯藏保鮮環(huán)境，到達(dá)最正確的保鮮效果。在作物的生長(zhǎng)過(guò)程中還可以利用形狀傳感器、 顏色傳感器、重 量傳感器等來(lái)監(jiān)測(cè)物的外形、顏色、大小等 , 用來(lái)確定物的成熟程度 , 以便適時(shí)采摘和收獲 ; 可以利用二氧化碳傳感器進(jìn)行植物生長(zhǎng)的人工 環(huán)境的監(jiān)控 , 以促進(jìn)光合作用的進(jìn)行。 例如 , 塑料大棚蔬菜種植環(huán)境的 監(jiān)測(cè)等 ; 可以利用超聲波傳感器、 音量和音頻傳感器等進(jìn)行滅鼠、 滅蟲(chóng) 等 ; 可以利用流量

10、傳感器及電腦系統(tǒng)自動(dòng)控制農(nóng)田水利灌溉。生物技術(shù)、遺傳工程等都成為良種培育的重要技術(shù) , 在這其中 生物傳感器發(fā)揮了重要的作用。 農(nóng)業(yè)科學(xué)家通過(guò)生物傳感器操縱種子的 遺傳基因 , 在玉米種子里找到了防止脫水的基因 , 培育出了優(yōu)良的玉 米種子。此外 , 監(jiān)測(cè)育種環(huán)境還需要溫度傳感器、濕度傳感器、光傳感 器等; 測(cè)量土壤狀況需用水分傳感器 , 吸力傳感器、氫離子傳感器、 溫 度傳感器等 ; 測(cè)量氮磷、鉀各種養(yǎng)分需要用各種離子敏傳感器。在動(dòng)物飼養(yǎng)中也有傳感器應(yīng)用，如有可用來(lái)測(cè)定畜、禽肉鮮度 的傳感器。它可以高精度地測(cè)定出雞、魚(yú)、肉等食品變質(zhì)時(shí)發(fā)出的臭味 成分二甲基胺 ( DMA ) 的濃度, 其測(cè)量的最小濃度可以到達(dá) 1ppm , 利用這種傳感器可以準(zhǔn)確地掌握肉類(lèi)的鮮度 , 防止腐敗變質(zhì)。 也有用來(lái) 檢測(cè)雞蛋質(zhì)量的傳感器。物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。在農(nóng)田、果園等大規(guī)模生產(chǎn)方面，如何把農(nóng)業(yè)小環(huán)境的溫度、 濕度、光照、降雨量等，土壤的有機(jī)質(zhì)含量、溫濕度、重金屬含量、 PH 值等，以及植物生長(zhǎng)特征等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)獲取傳