种植现场数据采集研究
种植现场数据采集研究
农田环境是一个复杂的生态系统，包含土壤、肥料、水分、光照、温度、空气、生物等因子，对农田基础信息的获取和表达，不仅要针对直接相关因素进行分析，也要对关联度大但为隐性的间接因素进行分析，由此现场数据获得的快速、准确是最基本的要求。
从农田基础数据采集手段上看，主要包括遥感和传感器两种方式。遥感能够获取大尺度范围的丰富数据，如大气的温度、湿度、降水、风速、土壤的含水量、重金属含量、作物覆盖率、作物的蒸散发、叶面积、植被指
数等。传感器能够实时、快速地获取环境信息。由大量集成了处理器、存储器和无线通信能力的传感器节点组成的具有动态拓扑结构的自组织网络称为无线传感器网络，传感器节点协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并发送给观察者。由于微传感器的体积小、重量轻，甚至可以像灰尘一样在空气中浮动，因此，有人又称无线传感器网络“智能灰尘”。
目前基于传感器的农田现场数据信息采集包含有线和无线两种模式，有线模式以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
传感器应用向着网络化的方向发展，始于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，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 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。
1.3 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。
（5）安全性较差。无线传感器网络面临的安全性威胁主要来自无线信道和网络的拓扑结构。无线信道容易被窃听和干扰，而无中心和无组织的网络结构很容易受到主动攻击。由于无线传感器网络节点处理能力有限，无法实现复杂的加密算法，更增加了被窃密的可能性，这是无线传感器网络自身的一对矛盾。虽然农业现场数据采集对数据的保密性要求不高，无线传感器网络保密性差的问题对其应用影响不大，能满足目前无线传感器网络在农业上应用的要求。
（6）有限的传输带宽。无线传感器网络底层采用无线传输方式，而无线传输所能提供的带宽资源较之于有线传输方式要低很多。此外，无线信道之间的竞争所产生的信号衰减、冲突阻塞以及噪声的影响，使得在无线传感器网络中实际的传输带宽要远远低于理论上的最大带宽值。目前无线传感器网络在农业中的应用主要进行一些环境参数的采集，对传输的带宽要求不高，今后随着对监控数据的类型及数量要求的提高，网络传输带宽将会制约其发展。
2 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：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 等人在葡萄园里部署传感器网络监测微气候，确定霜冻发生的条件，进而对果树采取保护措施。随着无线传
感器网络技术的逐步发展，其应用也越来越广泛，在农业生产现场的环境污染检测、生产环境参数信息采集、病虫害信息采集、牧场动物生长信息采集等领域得到研究和推广应用，目前在农业生产现场的大规模应用仍然较少。
A. 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，另外通过地下传感器监测地下水的水位和质量，进而指导农作物的进行最优耕作、灌溉和收割。但是其在设计多跳路由算法时，为了方便，假设无线传感器网络的拓扑结构不发生变化（即不会发生节点失败、节点的移动、新节点的加入等），显然，这个假设是不符合无线传感器网络设计的实际的。
2.2 国内现状
中国在农业现场数据采集方面的研究起步相对较晚，近几年来，随着数字农业在中国的发展，有关农业现场数据采集的传感器，无线传感器网络等技术已经得到很大的提高。
1996 年，郑荣良等人将数据采集系统应用到植物生理需水信息的采集上，利用把植物茎部的微收缩和土壤环境温度作为植物生理需水信息的指标。试验中实现了对植物需水信息及环境温度变化信息的检测，为精准节水灌溉的实现打下良好基础，然而其没有无线传感器网络的概念，未能实现真正意义上的需水信息实时采集。
2005 年谭龙[10]设计了一个环境监测系统，系统根据传感器节点不同的选择，可以实现水、大气、污染源、生态环境等自动监测。
2006 年Ning Wang 等人对无线传感器网络及其在农业和食品业上应用的近期发展和今后发展前景进行了分析，提出无线传感器网络在今后的市场容量迅速扩张的同时制作成本会迅速下降。
2006 年孙忠富等人将基于GPRS 和WEB的监控技术应用于农业领域，通过RS-485 总线将数字传感器与PC个人计算机连接，组成现场实时监控系统，通过GPRS 无线模块与移动GPRS 网络连接，将现场采集数据实时发送到数据库服务器，并存储到数据库中。在应用程序服务器上安装一个信息发布软件，可以查询数据库服务器上的数据。
2008 年刘卉，汪懋华等人基于Zigbee 无线通信协议组建Mesh 网络，所有节点数据路由到网关节点，由网关节点将全部数据通过GPRS无线通信方式转发到远程数据中心。文献中所建立的农田土壤温湿度监测系统为精细农业时空差异性与决策灌溉研究提供了有效工具。
2009 年高峰等人设计开发了基于无线传感器网络的作物水分状况检测系统
（WSN-CWSM），传感器节点之间形成单跳/多跳的自组织网络利用GSM网关将采集的数据远程传输到服务器，实现了在温室大棚中对作物生长环境、作物茎直径微变化等参数信息的全覆盖检测。该系统中实现了对温室中农作物需水参数的采集，但该研究还属于初步实验阶段，在络稳定性、节点功耗及数据传输安全性等方面考虑较少，还些需要进一部进行研究改进。
在农业现场布置传感器节点和搭建网络，文献采用的是现场总线，文献、针对农田基础设施少的环境，建立了一套基于无线技术的传感器网络平台，系统的设计开发成本更低，更实用。文献[8]在传输的距离上就有了明显的优势。文献所有的节点都采用太阳能供电模式，对于基站节点来说，它用于传输一些传感器节点的数据，如果基站的太阳能不稳定，势必影响整个无线传感器网络的稳定性。
通过上文分析，虽然国内已经对农业生产环境的数据采集开展了很多研究工作，然而就目前的技术水平来说，让无线传感器网正常运行并大量投入使用还面临着许多问题：网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些建筑物、山体、陡坡或其他电子信号干扰而受到影响，安全有效的进行通信是个有待研究的问题。
传感器成本问题。在一个无线传感器网络里面，需要使用数量庞大的微型传感器，低成本传感器研发是一个紧迫的课题。
网络系统供电问题。目前主要的解决方案有：使用高能电池；降低传感功率；此外还有传感器网络的自我能量收集技术和电池无线充电技术。其中后两者备受关注。
无线传感器网络结构问题。目前虽有多种形态和方式，但合理选择网络结构，才可以最大限度的利用资源。同时包括网络安全协议问题和大规模传感器网络
中的节点移动性管理等诸多问题有待解决。
3 展望
未来农业对现场数据获取的实时性需要将会越来越高，对通信系统提出“5 个任意”的要求：在任意时间和任意地点，任意一个通信发起者和任意一个通信接收者以任意一种方式进行通信。随着无线网络技术的不断完善和无线网络产品性能价格比的提高，通过无线通信网络（GPRS）与INTERNET 的无缝连接，实时采集农田信息，使得现代农业向着自动化、智能化与网络化方向发展。无线传感器网络是达到这个目标的重要手段。基于无线传感器网络的农业信息现场采集技术还面临以下的挑战和发展趋势：
（1）随着环境数据信息采集要求的提高，需要传感器技术的同步发展，要开发多种传感器，尽量满足对各种参数数据的采集需求；同时传感器操作系统的完善也对无线传感器网络的工作效率有非常大影响。
（2）无线传感器网络的拓扑结构和节点间的通信协议是关系到网络强壮程度和寿命的重要因素，要对现有的传感器网络通信协议进行研究和改进，达到提高网络效率降低通信能耗的要求，降低布置网络的成本，才能促进无线传感器网络的广泛应用。
（3）恶劣的自然环境对于网络终端本身也是一种考验，大多数传感器使用蓄电池续航，电池耗尽后，传感器就会成为农田的电子垃圾，因此需设计一个预警系统，在传感器的电量即将耗尽时，提示人们它的具体位置，以便及时清理。
（3）在实际应用中，还有很多技术难点值得关注，针对农业生产现场的大型无线传感器网络的应用，其路由协议的设计，网络服务质量，网络的安全性和移动无线终端的能源续航能力等都有待于解决，以及其他我们意想不到的难题。比如，对牲畜生长过程的动态数据
采集，不同的通信协议和通信设备检测到的农业
环境数据有所不同，因此，怎么样开发标准统一的并且最接近真实数据的协议和设备也是未来的发展要求。
（4）无线传感器网络能够从空间上提供农业生产环境的细节信息，3S 技术（特别是GPS、RS）偏向于远程宏观的探测农作物生产及环境信息，因此将3S技术与无线传感器网络相结合，实现宏观数据采集与微观数据采集相辅相成，是精细农业发展的一种趋势。