无线传感器网络在农业中的应用
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作者: 孙志峰 安瑞 王存
摘要：无线传感器网络是近些年来兴起的新兴技术。无论是生产和生活，都离不开无线传感网络的支持与推动。本文综述了无线传感器网络的构成和特点，以及当前在农业领域的应用，并提出了在农业领域应用的新型思路。
关键词：无线传感器 农业 网络 应用
无线传感器网络是一种无中心节点的全分布式系统。通过随机投放的方式，使众多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点集成有传感器、能源单元、数据处理单元、通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成无线网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的主要信息，并将其传送给观察者。在传统农业中，人们获取农田信息的方式都很有限，主要是通过人工测量、人工采集等，而且获取过程需要消耗大量的人力。而使用无线传感器网络可以有效降低人力资源的消耗和对农田环境的影响，且能获取更加精确的作物环境与作物信息。
一、农田自动灌溉系统
我国水资源严重缺乏，农业用水量约占总用水量的80％左右，当前农业灌溉用水的利用率普遍低下。精细农业是从20世纪90年代发展起来的基于信息和知识的现代农业管理与经营理念，是实现农业可持续发展的技术支持。精细农业技术思想的核心是基于时空变异的农业管理与投入。即在获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素差异性信息的基础上，区别对待，按需实施定位调控。
自动节水灌溉系统是在灌区农田上铺设灌溉管网，并在管道上加装电控阀门。灌溉管网铺设越密集，系统越可以更为灵活的进行节水灌溉控制。自动节水灌溉可以在农田原有的灌溉管网的基础上改造，即原有灌溉管道上加装电控阀门，更好的利用原有灌溉管网和减少投资。在无线传感器网络覆盖的区域内，灌溉控制器依传感器信息对特定区域进行喷灌。
二、土壤含水率检测系统
精细灌溉是解决由水资源日益紧缺而引起的各类供求矛盾的最有效方案，其在不影响作物产量的前提下根据作物需水信息适时、适量地对作物进行全方位的灌溉，因而能够大幅度减少农业用水。
在精细灌溉作业中，土壤含水率是计算需水信息的一个重要指标。与此同时，土壤含水率也是地表与大气之间通过蒸发的方式进行能量和水分交换的主要控制因子，在很大程度上能够影响植物的健康状况。因此，对土壤含水率进行准确、连续、实时地监测在精细灌溉以及水资源合理利用研究中具有非常重要的意义。对单点或小范围土壤含水率进行测量可以采用土壤电阻法、时域反射计法 、电容法、土壤穿透雷达法、中子仪法、张力计法、取土烘干法、热脉冲法等。而对大片区域土壤含水率分布状况的测量可以采用遥感技术，主要的测量手段包括微波法、辐射通量法、雷达成像以及红外测温法等。以上方法虽然均能够比较准确地测量出土壤含水率，但在实际应用中需要工作人员随身携带仪器设备进行人工测量或者将设备安装在合适的农业机械上，伴随农机作业进行测量，且测量范围限于地表及地表以下等有限的深度，并且无法对植物根部的土壤含水率进行立体检测。依赖于人力或者机械的方法受到使用强度的限制，无法对土壤含水率进行实时、实地和大范围的监测，因而导致无法对监测区域进行有效覆盖，从而使得测量结果无法反映出土壤含水率的动态变化情况。因此，需要一种能够实时并且短时间间隔地采集、密集部署、避免作业区内部线缆纵横交错、存储和传输土壤含水率信息的数据获取载体。
三、微灌监控系统
基于无线传感器网络的微灌监控系统是由许多个ZigBee节点所构成的网络。总节点与终端的硬件结构完全相同，只是网络层不一样。总节点是网络组织者，负责网络组建。信息路由只能由ZigBee模块担任。每个ZigBee节点的硬件由最基本的两部分构成：无线接收发送和微控制器部分。硬件具体实现的功能则由烧写入程序的单片机来决定。为了使微灌监控系统能大范围推广，首先要求设备成本要低；其次，一般的工作环境不便于放置体型较大的充电电池或者电源模块，所以要求设备体积小、低功耗；而当大面积自动灌溉时网络中的设备比较多，需要较大范围的通信网络覆盖；最后需要控制系统传输的数据量很小。将Zig―Bee无线传感器网络应用于微灌监控系统，可以很有效地解决以上问题，并且能提高微灌监控系统的自动化、智能化、网络化和远程控制的程度。
四、展望
虽然无线传感器网络已经在某些领域有所应用，但由于传感器的价格过于昂贵以及安全问题、能耗问题等，使得无线传感器网络技术的普及存在着一定的不足，但随着无线传感器技术的日益成熟以及无线传感器成本的不断降低，相信将会在不久的将来得到广泛的应用！
参考文献：
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