一种应用于林业监测的链式分簇无线传感器网络
[森林防火,传感器,无线]无线传感器网络在森林防火中的应用
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无线传感器网络在森林防火中的应用【摘要】介绍一种基于ZigBee无线传感器网络的森林防火监测技术。
ZigBee是一种低功耗"低速率"短距离的无线技术标准，有广阔的发展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建传感器网络，传感器节点可对森林环境进行信息采集，然后将采集的数据通过无线网络传送到数据监控中心，监控中心的计算机对数据进行分析处理，判断是否有火灾的可能，为相关部门进行相应的防护和灭火提供依据。
【关键词】无线传感器；ZigBee；森林防火无线传感器网络是一项刚刚兴起的网络技术，通常是由大量部署在监测区域的微型传感器节点，以无线通信方式所组成的一个自适应分布式网络系统，具有部署灵活、成本低廉、容错性好等优点，在无人值守的环境监测和灾害扑救等特殊领域作用巨大。
ZigBee是一种低功耗、低速率、短距离的无线技术标准，适用于构建无所不在的传感器网络，传感器节点可对森林环境进行信息采集，然后将采集的数据通过无线网络传送到数据监控中心，监控中心通过计算机对数据进行分析处理，判断发生火灾的可能，为林业相关部门进行相应的防护和灭火提供依据。
工作人员可以通过手机、PDA、计算机等信息终端，实时掌握森林环境信息，及时获取异常报警信息及预警信息，并可以根据森林环境监测结果，实时调整控制设备，构建起数字化森林的物联网络，为森林防灭火提供实时、准确、科学的决策。
一、无线传感器网络研究现状我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，但从研究问题的深度和投入的科研力量来说，国内的水平相对落后于国外。
随着经济的发展国内也有越来越多的企业开始关注无线传感器网络技术的发展，开始推出针对无线传感器网络及Zig――Bee的解决方案。
2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了三个前沿方向，其中二个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
二、ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
基于无线传感器网络的智能智能农业监测系统设计
基于无线传感器网络的智能智能农业监测系统设计智能农业监测系统设计——为农业生产带来高效与便利随着科技的不断发展，农业生产也逐渐趋向智能化。
在智能农业监测系统的设计中，无线传感器网络被广泛应用，为农民提供了实时、准确的农业监测数据，促进农业生产的可持续发展。
一、系统架构设计基于无线传感器网络的智能农业监测系统主要由传感器节点、传感器数据采集与处理模块、数据传输与通信模块以及数据分析与管理模块构成。
1. 传感器节点：传感器节点分布在田地、温室和畜牧场等农业环境中，用于采集和监测环境中的温度、湿度、光照、土壤湿度、气体浓度等关键参数。
传感器节点具备低功耗、高灵敏度、远距离通信等特点，能够长时间运行并在数据达到预设阈值时及时发送数据。
2. 传感器数据采集与处理模块：该模块负责对传感器节点采集到的数据进行处理和分析。
传感器数据采集与处理模块将采集到的数据进行滤波、校正和采样等处理，保证数据的精确性和可靠性。
3. 数据传输与通信模块：数据传输与通信模块通过无线网络将采集到的数据传输到数据分析与管理模块。
当前，常用的数据传输与通信技术包括Wi-Fi、LoRa、NB-IoT等，根据实际情况选择合适的数据传输方式。
4. 数据分析与管理模块：数据分析与管理模块负责接收、存储和分析传感器节点采集到的数据。
通过数据分析和算法模型，农业专家和农户可以及时了解农作物生长情况、土壤营养状况、病虫害预警等信息，以便采取针对性的措施。
二、系统功能设计基于无线传感器网络的智能农业监测系统设计具备多种功能，以满足农业生产的需求：1. 实时监测和预警：系统能够实时监测农作物生长环境和土壤状况，并根据预设的阈值进行预警。
例如，当土壤湿度过低或有害气体浓度异常时，系统将自动发送通知给农户或农技人员，以便及时采取措施。
2. 精确灌溉与施肥：根据不同作物的需水和需肥量，系统通过分析传感器节点采集到的数据，精确控制灌溉和施肥设备，实现水、肥的科学、高效利用，减少资源浪费。
一种大田农业无线传感器网络系统设计方法[发明专利]
![一种大田农业无线传感器网络系统设计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/6de3a54003768e9951e79b89680203d8cf2f6a73.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610890040.7(22)申请日 2016.10.12(71)申请人 哈尔滨派腾农业科技有限公司地址 150036 黑龙江省哈尔滨市香坊区公滨路572号7单元3楼1号(72)发明人 马廷彦 (51)Int.Cl.H04W 4/021(2018.01)H04W 4/38(2018.01)H04W 16/18(2009.01)H04W 16/22(2009.01)H04W 24/08(2009.01)H04W 52/02(2009.01)H04W 84/18(2009.01)(54)发明名称一种大田农业无线传感器网络系统设计方法(57)摘要本发明公开了一种大田农业无线传感器网络系统设计方法,所述方法包括以下步骤：第一步，农业应用环境对无线信道传播特性的影响与模型研究；第二步，面向精细农业的WSN结构与组网方式研究；第三步，面向精细农业的WSN节点低成本定位方法研究；第四步，面向精细农业的WSN数据融合方式研究；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略；第六步，提出线传感器网络中间件设计方法。
本发明的大田农业无线传感器网络系统设计方法，以良好的环境适应性、低功耗、低成本、标准化为目标，以大田与设施农业两种应用对象，研究面向精细农业的无线传感器网络关键技术。
权利要求书1页 说明书3页CN 108377465 A 2018.08.07C N 108377465A1.一种大田农业无线传感器网络系统设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：第一步，农业应用环境对无线信道传播特性的影响与模型研究，针对不同的农业应用环境，分别就平地、裸地以及山地进行实验，对不同信道频率下的丢包率，RSSI值以及不同天线下的传输范围进行了综合分析比较，得出信道衰减经验模型，为无线传感器网络组织结构、路由协议与不同应用环境的节点部署方法提供依据；第二步，面向精细农业的WSN结构与组网方式研究，在研究常用无线传感器网络结构与通信协议的基础上，尤其是在分析ZigBee协议及其网络结构的基础上，针对设施农业与大田应用环境，设计分簇无线传感器网络结构，提出分簇有限自组网的结构与组网方式，并设计交叉双链的通信模式；第三步，面向精细农业的WSN节点低成本定位方法研究，面向大田应用，对DV Hop节点定位算法进行改进，采用四边测距方式定位普通节点的位置，实现精细农业用无线传感器网络的低成本定位，为定点施肥、灌溉等提供技术支持；第四步，面向精细农业的WSN数据融合方式研究，采用基于空间相关性的压缩感知理论对节点数据进行融合；第五步，服务质量目标驱动的农业WSN系统评价策略，针对农业无线传感器网络行业标准研究滞后的实际，结合精细农业应用需求，以网络服务质量为目标，建立农业WSN体系结构，提出面向精细农业应用的WSN系统评价策略，为农业无线传感器网络行业标准的建立提供参考；在此基础上，针对分簇网络结构、簇内交叉双链的通信方式，测试丢包率、网络延时、网络能耗、网络带宽等指标，并计算服务质量；第六步，在上述研究的基础上，针对农业无线传感器网络系统低成本与标准化的需要，提出线传感器网络中间件设计方法；开发无线传感器网络软硬件，给出系统的硬件原理图和软流程图；设计基于太阳能MPPT的能量快速自给方法，并设计传感器间歇采样、深度休眠的工作方式。
无线传感器网络的路由协议设计
无线传感器网络的路由协议设计随着物联网的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）的应用越来越广泛。
作为物联网的一种形态，WSN已经应用于环境监测、智能交通、智能制造等领域，为人们的生产和生活带来了很大的便利。
在WSN中，路由协议的设计是至关重要的。
一、无线传感器网络的基本结构WSN通常由大量的无线节点组成，这些节点会周期性地采集周围的环境数据，并将这些数据传输到网关节点。
在WSN中，有两种类型的节点，分别是传感器节点和网关节点。
传感器节点负责采集环境数据，并将数据通过本地通信模块的方式向周围的节点发送；网关节点则负责将周围节点传来的数据汇总起来，并将数据通过互联网传输到数据中心或者其他目的地。
为了保证网络的性能和可靠性，WSN中的节点通常会有限的资源，如能量、计算容量和存储容量等。
二、路由协议的作用WSN中的节点之间通过无线信号进行通信，因而对传输数据的可靠性要求非常高。
由于节点之间距离远，且节点没有全局网络拓扑信息，传输数据需要经过多个节点才能到达目的地，并且通信链路可能频繁中断。
因此，在WSN中需要使用一种适合无线网络环境的路由协议，来实现节点之间的数据传输。
简单来说，路由协议的作用主要有以下几个：1. 实现数据的传输：路由协议通过计算最优路径，将数据从源节点传输到目的节点。
2. 增强网络的容错性：路由协议可以针对链路中断等异常情况，快速选择可用的路由，从而提高网络的容错性。
3. 延长网络的寿命：路由协议可以优化数据传输路径，从而降低节点的能量消耗，延长整个网络的寿命。
三、常用的路由协议1.LEACH协议LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）是一种无线传感器网络的自适应分簇路由协议。
LEACH将传感器节点分为若干个簇，每个簇由一个簇头节点负责，簇头节点负责收集簇内节点的数据，并将其传输给网关节点。
无线传感器网络LEACH算法的改进
无线传感器网络LEACH算法的改进无线传感器网络（WSN）是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络，用于监测、收集和传输环境信息或事件。
它被广泛应用于环境监测、军事监测、医疗保健、工业自动化等领域。
由于传感器节点的能量有限，传感器节点之间的通信受限，需要能耗较低的网络协议来延长网络的寿命。
LEACH（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy）算法是一种用于节能的无线传感器网络协议，通过聚类和轮换角色的方式降低传感器节点的能量消耗，延长整个网络的寿命。
LEACH算法仍然存在一些问题，需要进行改进。
本文将介绍LEACH算法的基本原理，以及一些对LEACH算法的改进方法，以提高其在无线传感器网络中的性能和效率。
一、LEACH算法介绍1. LEACH算法基本原理LEACH算法是一种典型的分簇式无线传感器网络协议，它通过聚类和轮换簇头的方式降低传感器节点的能量消耗。
LEACH算法的基本原理如下：（1）初始化阶段：初始化每个节点的能量，并设置阈值T，根据T决定哪些节点将成为簇头节点。
（2）簇头选择阶段：每个节点以概率的方式成为簇头节点，概率与其剩余能量成正比。
（3）簇形成阶段：非簇头节点将根据其距离最近的簇头节点进行加入。
（4）数据传输阶段：簇头节点收集数据并传输给基站。
（5）簇头轮换阶段：为了均衡网络中各个节点的能量消耗，每个簇头节点在每一轮中都会轮换。
2. LEACH算法存在的问题尽管LEACH算法在节能方面有一定的优势，但是它也存在一些问题：（1）簇头选择过程没有考虑传感器节点的位置及其与基站之间的距离。
（2）没有考虑网络中节点的能量消耗不均匀问题。
（3）没有充分考虑网络中的数据传输量，可能导致某些簇头节点负载过重。
1. 基于节点位置的改进通过引入节点位置信息，可以更合理地选择簇头节点，避免一些节点成为簇头节点后，由于其位置过远而导致能量消耗过大。
可以根据节点与基站之间的距离进行簇头节点的选择，以减少能量消耗。
面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究
综上所述，基于无线传感器网络的高校校园火灾监测系统设计具有重要的现实 意义和推广价值。在未来的研究中，可以进一步优化传感器选择和网络布局， 提高系统的智能化和自适应性，以实现更加精准、高效的火灾监测。
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二、无线传感器网络技术概述
无线传感器网络是由一组低功耗、微型、自组织的传感器节点组成的网络，通 过无线通信方式对环境参数进行感知、数据传输和处理。这些传感器节点可以 监测森林中的各种参数，如温度、湿度、烟雾、火焰等。
三、无线传感器网络在森林火灾 监测中的应用
1、火灾预警：通过部署在森林中的无线传感器节点，实时监测环境参数，当 检测到异常数据（如温度升高、烟雾等）时，立即发出预警信号，从而提早发 现火灾隐患。
高校校园火灾监测系统的设计对于保障广大师生的生命财产安全具有至关重要 的作用。传统的火灾监测方法往往依赖于人工巡查和设备监测，但这些方式存 在一定的局限性。为了解决这些问题，本次演示提出了一种基于无线传感器网 络的高校校园火灾监测系统设计方案。
二、问题陈述
在高校校园火灾监测系统中，面临的主要问题包括：
2、组建无线传感器网络：利用无线通信技术，将各个传感器数据传输到监控 中心，实现对校园的全方位监测。
3、数据处理与分析：对收集到的传感器数据进行处理和分析，通过算法判断 是否有火灾发生，并立即发出警报。
4、设备自维护：设计设备自维护功能，定期对设备进行自我检查和校准，确 保系统的稳定运行。
四、研究结果
面向森林火灾监测的无线传感 器网络技术的研究
01 一、引言
目录
02
二、无线传感器网络 技术概述
三、无线传感器网络
03 在森林火灾监测中的 应用
04
四、无线传感器网络 技术的研究进展
无线传感器网络的自组织与分簇控制方法
无线传感器网络的自组织与分簇控制方法无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）是一种由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络系统。
它具有自组织、自适应和自修复等特点，广泛应用于环境监测、智能交通、农业控制等领域。
在WSN中，节点之间的通信和协调是实现网络功能的关键。
自组织是WSN中的一个重要特性，指的是节点之间通过无线通信自动形成网络拓扑结构。
自组织能够提高网络的可靠性和适应性，降低网络部署和维护的成本。
在WSN中，自组织通常通过分簇控制方法实现。
分簇控制是WSN中的一种重要机制，它将节点分为若干个簇（Cluster），每个簇由一个簇头节点（Cluster Head）负责管理。
分簇控制可以提高网络的能效和可扩展性，减少网络中的冲突和能量消耗。
下面将介绍几种常见的分簇控制方法。
一种常用的分簇控制方法是基于距离的分簇（Distance-based Clustering）。
该方法根据节点之间的距离将节点划分为不同的簇。
具体来说，节点选择离自己最近的簇头节点作为自己所属的簇。
该方法简单有效，但容易导致簇头节点负载不均衡的问题。
为了解决负载不均衡的问题，一种改进的方法是基于能量的分簇（Energy-based Clustering）。
该方法根据节点的能量水平将节点划分为不同的簇。
具体来说，能量较高的节点更有可能成为簇头节点。
该方法能够均衡地分配节点的能量负载，延长网络的寿命。
除了距离和能量，节点的位置信息也可以用于分簇控制。
一种基于位置的分簇方法是基于虚拟网格的分簇（Grid-based Clustering）。
该方法将网络空间划分为若干个虚拟网格，每个网格由一个簇头节点负责管理。
节点选择离自己所在网格中心最近的簇头节点作为自己所属的簇。
该方法能够减少节点之间的通信开销，提高网络的效率。
另一种基于位置的分簇方法是基于分布的分簇（Distribution-based Clustering）。
无线传感器网络通信协议
要点二
基于协调的MAC协议
节点通过与其它节点协调，分配无线 信道的使用权，例如TDMA（Time Division Multiple Access）和 FDMA（Frequency Division Multiple Access）等。
要点三
基于混合的MAC协议
结合了竞争和协调两种方式，例如 CDMA（Code Division Multiple Access）和OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access）等。
用于农田管理、作物协议的重要性
无线传感器网络通信协议是WSN的核心技术之一， 对于网络的性能和稳定性起着至关重要的作用。
通信协议需要满足低功耗、可扩展性、安全性、可 靠性等要求，以适应不同的应用场景和需求。
采用高效的通信协议可以提高网络的寿命、降低能 耗，同时保证数据传输的实时性和准确性。
常见的MAC协议比较
01
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CSMA/CA和CSMA/CD ：这两种协议简单易实现 ，适用于小型网络。但它 们在大型网络中性能较差 ，因为它们不能很好地处 理节点之间的干扰和碰撞 。
TDMA：TDMA将时间划 分为多个时隙，每个节点 只能在特定的时隙内进行 数据传输。它适用于大型 网络，但实现较为复杂。
安全与隐私保护研究
• 总结词：安全与隐私保护是无线传感器网络通信协议的重要 研究课题，旨在保障网络数据安全和用户隐私。
• 详细描述：无线传感器网络面临着多种安全威胁和隐私泄露 风险，如恶意攻击、数据窃取、节点伪造等。因此，研究安 全与隐私保护机制至关重要。目前，研究工作主要集中在加 密算法、访问控制、安全认证等方面。例如，基于公钥加密 算法的密钥分配机制，保证数据传输和存储的安全性；基于 属性基密码的访问控制机制，根据用户属性授予相应权限； 基于联邦学习的安全认证机制，保护节点身份隐私和数据安 全。此外，还有一些研究工作致力于开发轻量级安全协议和 隐私保护技术，提高网络安全性。
无线传感器网络技术的应用案例
无线传感器网络技术的应用案例随着技术的不断进步和创新，无线传感器网络技术在各个领域发挥着重要作用。
它能够通过无线连接将传感器节点组织成一个自组织、自适应的网络，实现数据采集、通信及处理等功能。
本文将介绍几个典型的无线传感器网络技术应用案例，包括智能农业、环境监测、智能交通和智能健康。
智能农业是无线传感器网络技术的一个重要应用领域。
农业传感器节点可以安装在土壤中、农田中或农作物上，通过感知和分析土壤的湿度、光照强度、温度等信息，通过传感器网络将数据传输到农田管理者的终端设备上。
基于这些数据，农田管理者可以实时监测土壤的条件，并采取相应的措施来提高农作物的生长效率，如精准灌溉、智能施肥等。
无线传感器网络技术的应用使得农业生产更加科学和高效，为农民带来更大的收益。
环境监测是无线传感器网络技术的另一个重要应用领域。
无线传感器网络可以部署在城市的不同区域，监测空气质量、水质状况、噪音水平等环境参数。
通过采集和分析这些数据，城市管理者可以及时了解环境状况，并根据数据制定相应的环境保护措施。
例如，当空气质量达到一定的污染程度时，无线传感器网络可以发出预警，并向相关部门发送报警信息，从而及时采取应对措施，改善环境质量。
智能交通也是无线传感器网络技术的重要应用领域之一。
部署在交通路口和道路上的传感器节点可以感知交通流量、车辆速度等信息，并将这些数据传输到交通管理中心。
通过对这些数据的分析，交通管理者可以实时监控道路的拥堵程度，并根据交通情况来调整信号灯的时序，优化交通流动性。
无线传感器网络技术还可以在智能车辆中应用，实现车辆之间的通信和协同驾驶，提高交通安全和效率。
智能健康也是无线传感器网络技术的一个重要应用领域。
通过部署在人体上的传感器节点，可以采集和传输身体的生理参数，如心率、体温、血压等信息。
这些数据可以实时传输到医生或医疗机构的终端设备上，医生可以通过对这些数据的分析来进行远程诊断和监控，提供个性化的医疗服务。
分簇的路由协议
分簇的路由协议分簇的路由协议概述分簇的路由协议是一种用于无线传感器网络中的路由协议。
它将传感器节点组织成簇，每个簇有一个簇头节点，负责收集和汇聚其它节点的数据，并将数据传输到基站。
该协议具有低能耗、低延迟、高可靠性等优点，被广泛应用于无线传感器网络中。
协议流程1. 网络初始化阶段在网络初始化阶段，所有节点都处于待机状态。
当一个节点被激活时，它会发送一个广播消息来发现其它节点，并建立自己的邻居表。
同时，它也会接收到其它节点发送的广播消息，并更新自己的邻居表。
2. 簇头选举阶段在簇头选举阶段，每个节点会根据一定规则选择自己所属的簇，并选出一个合适的簇头。
通常情况下，每个节点都会选择离自己最近的簇头作为自己所属的簇，并将数据发送给该簇头。
而对于每个簇来说，则需要选出一个能够满足要求并具有较高能力的节点作为簇头。
3. 数据传输阶段在数据传输阶段，每个节点会将自己收集到的数据发送给其所属的簇头。
簇头会汇聚所有来自其它节点的数据，并将其发送到基站。
同时，簇头还需要负责维护簇内节点之间的通信，以保证数据能够顺利传输。
协议优化1. 能量均衡在无线传感器网络中，能源是非常宝贵的资源。
因此，在分簇的路由协议中，需要考虑如何实现能量均衡。
一种常见的方法是让每个节点轮流担任簇头，以避免某些节点过度消耗能量。
2. 路径优化在分簇的路由协议中，路径优化也是一个非常重要的问题。
为了减少延迟和提高可靠性，需要选择最优路径来进行数据传输。
这可以通过动态调整网络拓扑结构来实现。
3. 安全性保障在无线传感器网络中，安全性也是非常重要的问题。
为了保障网络安全，需要采取一系列措施来防范各种攻击和威胁。
例如，在分簇的路由协议中，可以采用加密技术来保护数据的安全性。
总结分簇的路由协议是一种非常实用的无线传感器网络路由协议。
它将节点组织成簇，并通过簇头节点来进行数据传输和汇聚，具有低能耗、低延迟、高可靠性等优点。
在实际应用中，还需要考虑能量均衡、路径优化和安全性保障等问题，以提高协议的性能和可靠性。
物联网与无线传感器网络的区别
物联网与无线传感器网络的区别随着科技的发展和人们对智能化生活需求的提升，物联网（Internet of Things，简称IoT）和无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）作为两个重要的技术概念，逐渐受到人们的关注。
尽管它们都与无线通信和感知相关，但物联网和无线传感器网络在应用范围、网络拓扑结构、通信方式以及数据处理方式等方面存在一些明显的区别。
一、应用范围的区别物联网是一种将物理设备、传感器、软件和网络系统通过互联网进行连接的技术，旨在实现设备之间的数据交互和信息传递。
其应用范围十分广泛，涵盖了智能家居、智慧城市、工业生产、农业管理、交通运输等领域的各个方面。
而无线传感器网络则是一种由大量分布式传感器节点组成的网络系统，用于实时监测和控制环境中的各种物理量。
其应用主要集中在环境监测、军事侦察、医疗卫生、智能交通等领域。
无线传感器网络的节点一般由传感器、处理器和无线通信模块组成，节点之间通过无线信号进行数据传输。
二、网络拓扑结构的区别物联网的网络拓扑结构较为灵活，可以采用星型网络、树状网络、网状网络等多种方式。
物联网中的设备通常具备自主性和自治性，可以通过互联网进行直接通信。
在物联网中，设备之间可以直接相互交互，也可以通过云端进行数据的汇总和处理。
而无线传感器网络的网络拓扑结构则常常采用分簇式网络结构。
无线传感器节点根据其功能和特性进行分类，并由一个或多个集聚节点负责数据的收集和传输。
各个节点通过相邻节点之间的无线通信实现数据的传输。
相比物联网，无线传感器网络的节点通常具有较低的计算和通信能力，主要功能是采集周围环境数据并进行传输。
三、通信方式的区别物联网通信方式较为多样化，包括有线通信和无线通信。
在无线通信中，物联网可以使用诸如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、LTE等多种通信技术。
通过这些通信技术，物联网可以实现设备之间的跨平台和跨网络的相互连接。
无线传感器网络通信方式主要依赖于无线信号的传输。
无线传感器网络在农业信息化中的应用研究
无线传感器网络在农业信息化中的应用研究作者：郑少雄来源：《数字技术与应用》2012年第11期摘要：无线传感器网络是计算机科学与自动化技术研究的一个热点问题，它综合了传感器技术、通信技术与微处理器技术，在当前农业信息化的发展中具有良好的应用前景。
无线传感器网络适合温室、田间、动植物生长环境中信息的监测与采集。
为农业信息化的有效应用提供信息采集、处理与决策的方案。
本文介绍了无线传感器网络技术的网络结构、传感器节点构成与通信协议，分析了无线传感器网络在温室种植、农作物生长环境监测、节水滴灌技术、生物习性监测等方面的应用，探讨了无线传感器网络在农业信息化中的应用特点和研究进展。
关键词：农业信息化无线传感器网络传感器节点监测传送中图分类号：TN915 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）11-0085-021、引言农业信息化是指通过采用通讯技术、网络技术和信息技术等为主要手段的高新技术，能够更加充分有效的开发和利用农业信息资源，对田间管理采取变异的手段。
而传统的农业作业模式下，都是采用人工均一的施肥时间与施肥量。
李民赞[1]提出了按照传统均一的田间作业方式存在几种弊害：第一，浪费资源；第二，这些过量施用的农药、肥料会流入地表水和地下水，引起环境污染。
第三，所有操作均需要机器来完成。
将无线传感器网络引入到精细农业的生产管理中，有效地利用了无线传感器网络的大范围、实时、连续性强的特点，高效获取农田信息，及时解决农业发展中存在的重大问题。
2、无线传感器网络技术2.1网络结构无线传感器网络系统由传感器节点、汇聚节点、传播介质及用户接收装置所组成。
传感器节点通过人工部署或者飞行器撒播等方式撒落在监测区域内，节点具有独立路由的功能，将传感器采集到的数据通过自组多跳路由无线方式将数据传送到汇聚节点，汇聚节点通过数据处理后将探测到的有用数据传送给用户，数据传送过程为汇聚节点通过无线方式与基站或互联网PC相相连，实现任务管理节点与传感器之间的通信。
无线传感器网络
无线传感器网络无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，简称WSN）指采用无线通信技术将大量分布式的无线传感器节点进行网络互联，并通过节点之间的协同工作实现对环境信息的采集、处理、传输和应用的一种网络系统。
它具有低成本、低功耗、分布式、自组织等特点，在环境监测、智能交通、物流管理等领域有着广泛的应用前景。
一、无线传感器网络的概念与组成无线传感器网络是由大量的无线传感器节点组成的分布式网络系统。
每个节点都具有感知环境、处理数据和进行通信的能力，可以通过无线通信方式与其他节点进行数据交换和协同工作。
节点之间通过无线信道进行数据传输，形成了一个覆盖范围广、布局灵活的网络。
无线传感器网络的组成主要包括以下几个要素：1. 无线传感器节点：每个节点包含感知器、处理器、无线通信模块和电源等组件。
它们能够感知环境中的各种物理量，如温度、湿度、压力等，并将采集到的数据进行处理和传输。
2. 网络拓扑结构：是指无线传感器节点之间的连接方式。
常见的拓扑结构有星型、多跳、分簇等，不同的拓扑结构适用于不同的应用场景和需求。
3. 路由协议：用于节点之间的数据传输和通信，实现节点之间的协作和信息交换。
常见的路由协议有LEACH、TBRPF等，选择合适的路由协议对于网络性能和能耗有着重要的影响。
4. 数据处理与存储：无线传感器网络中的节点通常会对采集到的数据进行处理和存储，以便后续分析和应用。
节点可以通过数据压缩、聚合等方式减少数据的传输量，并采用存储技术将数据保存在本地或云端。
二、无线传感器网络的应用领域无线传感器网络在许多领域都有着广泛的应用，下面列举了一些典型的应用领域：1. 环境监测：无线传感器网络可以用于实时监测环境中的温度、湿度、气体浓度等参数，对环境变化进行监测和预警。
这在农业、气象、能源等领域都有着重要的应用价值。
2. 智能交通：无线传感器网络可以用于交通状况的实时监测和智能调度，提高交通效率和安全性。
无线传感器网络在农业领域的应用及效益分析
无线传感器网络在农业领域的应用及效益分析一、引言随着科技的不断进步，无线传感器网络技术在各个领域得到广泛的应用，尤其是在农业领域中。
本文将重点探讨无线传感器网络在农业领域的应用以及它所带来的效益分析。
二、无线传感器网络概述无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布式的无线传感器节点组成的网络，在节点之间通过无线通信进行数据传输。
无线传感器网络由传感器节点、基站和网络通信组成，传感器节点可以感知和采集环境中的各种参数，并将数据通过无线方式传输给基站，最终由基站进行数据处理和分析。
三、无线传感器网络在农业领域的应用1. 农田土壤监测无线传感器网络可以在农田中部署多个土壤传感器节点，监测土壤湿度、温度、pH值等参数，并将数据传输给基站。
基于这些数据，农民可以实时了解土壤的状况，进行科学施肥和浇水，从而提高农田的产量和质量。
2. 农作物病虫害预警无线传感器网络可以部署在农田中，监测农作物叶片的温度、湿度、光照强度等参数，并结合农作物病虫害的发生规律和模型，实现对病虫害的实时监测和预警。
一旦检测到病虫害的存在，农民可以及时采取措施进行治理，保护农作物的生长。
3. 畜牧业监测无线传感器网络可以在畜牧业领域中应用，监测牲畜的体温、心率、步数等参数，并通过数据分析，判断牲畜的健康状况。
当牲畜出现异常情况时，系统会自动发出警报通知农牧户及时采取措施，降低因疾病或其他因素导致的牲畜死亡率，提高畜牧业的效益。
4. 水资源管理无线传感器网络可以应用于水资源管理中，监测水库水位、农田灌溉水量等参数，并实现对水资源的合理利用。
通过对水资源的实时监测和管理，可以避免因浪费造成的水资源短缺和环境污染，提高农业生产的可持续发展能力。
四、无线传感器网络在农业领域的效益分析1. 提高生产效率通过无线传感器网络的应用，农民可以实时了解农田的状况，准确把握农作物生长的需求，从而科学管理农业生产。
一种用于森林防火的无线传感器网络定位算法
（ 理 学 院 数 学 与 计 算 机 学 院 ， 南 大 理 ６ １０ ）利用无线传感器 网络 进行森林火灾预警和 火灾现场定位 可以有效预防火灾发生或在其发 生后 尽
早 得 知 其 位 置 。提 出 了一 种 基 于 分 簇 的 Ｄ Ｅ定 位 算 法 ， 算 法 根 据 Ｄ Ｅ算 法 的 递 增 思 想 进 行 分 簇 ， 同 Ｐ 该 Ｐ 并
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一种森林生态环境无线传感器网络监测系统[发明专利]
![一种森林生态环境无线传感器网络监测系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/610bf158c77da26924c5b0b1.png)
专利名称：一种森林生态环境无线传感器网络监测系统专利类型：发明专利
发明人：潘彦伶
申请号：CN201711485151.0
申请日：20171229
公开号：CN108174426A
公开日：
20180615
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种森林生态环境无线传感器网络监测系统，包括：由汇聚节点和多个传感器节点组成的无线传感器网络，所述的无线传感器网络用于采集被监测森林区域内的环境传感数据，并用于将环境传感数据汇聚后通过卫星设备发送至监管终端；卫星设备，用于通信连接汇聚节点和监管终端；监管终端，用于接收卫星设备传输的环境传感数据，并将环境传感数据与设定的阈值门限进行比较处理，在环境传感数据超出设定的阈值门限时输出报警信号。
本发明实现了对被监测森林区域环境的实时监控。
申请人：潘彦伶
地址：234000 安徽省宿州市埇桥区曹村镇
国籍：CN
代理机构：北京华识知识产权代理有限公司
代理人：赵永强
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无线传感器网络在农业领域中的应用
无线传感器网络在农业领域中的应用随着科技的不断发展和人们对生态环境问题的关注，农业生产也在不断地向“智能化、信息化、数字化”方向转型。
其中，无线传感器网络作为一种新型的信息化技术，正逐步引入到农业生产中，为农业生产带来了诸多创新和优化的方案。
一、无线传感器网络的基本概念无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量无线传感器节点组成的网络，每个传感器节点拥有自己的微处理器、无线收发器、传感器和电源等组件，能够实现自组建、自管理、自维护、自适应等功能，通过节点间的信息交换和协作，完成数据采集、处理、传输等功能。
无线传感器网络可广泛应用于环境监测、安防、医疗、农业等领域，特别是在农业生产中，它的优势更加突出。
二、（一）土壤监测土壤是植物生长的重要基础，因此，对于农业生产来说，掌握土壤的温度、湿度、PH值、电导率等信息非常重要。
传统的土壤检测方法效率低、周期长、成本高，但是，通过在田间布置一定数量的无线传感器节点，就可以实现对土壤信息的实时感知和集中监测，从而实现最优化的施肥、选址、植物生长管理。
（二）气象监测农业生产的结果和天气息息相关，传统的气象监测通常依赖于人工气象站，然而，这种方法不仅周期长，而且监测范围有限。
而通过在农田中部署无线传感器节点，就可以实现对气象参数（如温度、湿度、风速、风向、气压等）的实时监测和记录，实现精准农业生产和气候变化预测，优化生产管理和决策流程。
（三）养殖监控农业生产中的养殖环节需要严格的环境监控和管理，而传统的养殖管理存在人工监控难度大、人工错误率高等问题，通过部署带有微处理器和传感器的无线设备，可以实现对养殖场环境数据的实时监控和记录，包括水质、水温、氧气、温度、湿度、PH值等参数，从而实现对动物的保护和养殖管理的精细化。
（四）货物追踪无线传感器网络可以应用于农产品的生产和销售环节。
例如，在收割农作物后，可以通过安装无线传感器来采集作物生长数据，然后通过无线网络传输到云端，进行云计算分析，再根据分析结果进行优化决策，最后将农产品送往市场销售，可以通过无线传感器网络对农产品进行追踪，确保农产品质量和安全性，提高农产品的附加值和市场竞争力。
无线传感器网络在智能农业中的应用研究
无线传感器网络在智能农业中的应用研究智能农业是一种基于现代信息技术的农业生产模式，依赖于各种先进的技术手段来改善农业生产效率、提高农产品质量和实现可持续发展。
其中，无线传感器网络（WSN）作为一种重要的技术手段，在智能农业中有着广泛的应用和研究。
一、智能农业中无线传感器网络的概念和特点无线传感器网络是由大量分散的、具有自主感知、通信和计算能力的传感器节点组成的网络。
在智能农业中，无线传感器网络可以实时感知农田环境和作物生长的各种参数，如温度、湿度、土壤湿度、二氧化碳浓度等，并将这些数据传输到中央处理单元进行分析和决策。
无线传感器网络具有以下特点：1. 分布式感知：传感器节点可以在农田中分布，实现对不同位置的农业参数进行感知和监测。
2. 自组织网络：无线传感器网络可以根据需要自动重新组织网络拓扑结构，提高网络的可靠性和稳定性。
3. 节能设计：无线传感器网络节点通常采用低功耗设计，可以运行较长时间，并且可以通过睡眠模式进一步降低能耗。
4. 多功能性：无线传感器节点通常具有多个传感器，可以同时感知多种农业参数，提高数据采集的效率。
二、无线传感器网络在智能农业中的应用1. 农田环境监测：无线传感器网络可以感知农田中的温度、湿度、光照强度等环境参数，实时监测农田的生长条件，并根据这些数据制定合理的灌溉、施肥和防病虫害措施。
2. 作物生长监测：通过植物生长环境的监测，无线传感器网络可以实时监测作物的生长状况、营养状况和病虫害情况，及时采取措施，提高作物产量和质量。
3. 精准农业管理：利用无线传感器网络可以实现对农田中每个作物的精细管理和监控。
通过对土壤参数、气象数据和作物生长情况的监测，可以实现对农田的精准施肥、精确灌溉等管理策略。
4. 病虫害预警：无线传感器网络可以感知农田中的病虫害参数，并通过数据分析和模型预测，提前发现农作物的病虫害发生情况，及时采取有针对性的防治措施，减少农作物的损失。
5. 牧场管理：无线传感器网络可以监测牧场中牲畜的行为和健康状况，例如监测牛群的活动范围、饮食情况和疾病发生情况，以便饲养员及时采取措施并提高牲畜生产效益。
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数字林业 Digital Forestry二 一 年第十期 林业实用技术一种应用于林业监测的链式分簇无线传感器网络张浩平(南京林业大学信息科学技术学院 南京 210037)[摘要] 介绍了无线传感器网络在林业监测应用中的优势,提出了适合于林区监测的、基于链式分簇的无线传感器网络的布设方案,并描述了基于ZigBee 网络协议作者简介:张浩平(1957-),副教授,硕士生导师,研究方向:计算机网络管理与应用。
的方案实现。
[关键词] 物联网 林业监测 链状分簇 无线传感器网络 Zig Bee 技术1 引言近年来,随着物联网的价值越来越被人们所认识,无线传感器网络技术有了迅猛的发展,在林业环境监测系统的应用中,无线传感器网络技术有着独特的优势。
无线传感器网络具有成本低、体积小、功耗底、可靠性强等特点,在监测区域内部署大量的微型传感器节点,经由无线通信方式形成一个网络系统,从而实现网络覆盖区域内感知对象的信息的采集、量遥感信息中快速提取诊断信息和决策信息,其关键是实现RS 与GIS 无缝集成,即G IS 功能模块与栅格分析模块之间具有较好的数据通信。
本系统以G IS 为核心,扩展特定应用目标的遥感影像处理功能,采用组件技术开发相应的栅格分析功能组件,并与组件G IS 软件开发平台集成,同时结合公式识别和模型库管理系统技术,较好地解决了RS 与GIS,以及专业应用模型、专家知识之间的无缝集成问题。
如DEM 图与遥感图像叠加模拟地形、地势与森林植被的分布关系,原有林像图与遥感叠加对树种、林龄、土壤厚度等因子的识别和特征信息的提取有很大的帮助。
而遥感图形制作的专题图可以加快和完成GIS 的数据更新。
3 3 GIS 和GPS 的集成数字化地图野外测绘是G IS 获取数据源的主要手段之一,也是所有获取空间数据手段中相对精度较高的一种,就需要借助G PS 静态相对定位实现控制测量,为细部测绘图提供依据。
其次,现已成熟的G PS 能为G IS 提供质量好、精度高的失量数据,实现数字化地图的测绘、补测、补绘和更新。
例如,通过GP S 对新增地类(如退耕还林、还草和采伐迹地)和自然灾害等进行野外快速观测并对GIS 中的原有数据进行更新。
4 小结G IS 、G PS(全球定位系统)、RS(遥感)及其集成技术(即3S)把地理信息科学与技术推向了前所未有的新高度,实现了地理空间数据采集、交换、管理、分析、预测、决策、制图的一体化、自动化、数字化、智能化、实时化和动态化,3S 集成技术为主导的小陇山森林资源调查系统具有如下优点。
4 1 系统集成化无论从物理结构到数据结构都是集成为一体的森林资源调查监测系统,确保GP S 的矢量数据、RS 的栅格数据在G IS 数据库中的互相转换和互相朴充,确保数据冗余度小,查询方便,调用及时,运算正确,分析可靠,系统具有足够的精度和可靠性及优化的经济性。
4 2 系统动态化3S 森林资源与环境监测系统是动态变化的,包括突变和渐变。
因此,需要利用RS 和GP S 手段快速的实现数据更新 进而表现出状态和属性的变化,并进行现实资源数据报导和未来发展趋势预测。
4 3 系统数字化3S 系统是计算机与地理学科的完美整合,而计算机对于图形、图像及其属性的存储、管理和分析要依赖于数字和编码。
因此,一切与森林资源环境有关的图形、图像及属性都应有数字化的编码,进而能进行空间分析,特别是以R S 灰度值为基本数据的多元统计回归空间分析。
4 4 系统实时化对森林资源环境监测3S 系统,特别是小区域、小流域的监测系统,主要依靠GP S 、电子罗盘野外目估填图等手段,实施数据、图形、属性的变化和更新,大的区域可采用轻型直升飞机或无人驾驶飞机,配合DG PS 、航摄、扫描仪实现数据更新,更大的区域则可采用航天遥感数据更新。
应该肯定,一个实时化的系统必然是一个动态化而且充分采用了趋势预测空间分析模型的系统。
4 5 系统高效化3S 技术中的RS 图像含有巨大的信息量,G PS 可以精确地导航定位,利用GIS 强大的制图功能,可以根据用户需要快速、精确地满足多种专题图制作的要求。
所以利用3S 技术可以不受时间、地域的影响,利用其获取的直接地学编码图像,直接输出包括地形在内的各种专业图件,编制时间大大缩短,精度也有了较高的保证。
参考文献:[1] 李德仁 论RS ,GPS 与GIS 集成的定义、理论与关键技术[J ] 遥感学报,1997,1(1):64 68[2] 冯仲科,余额晓 3s 技术及其应用[M ]北京:中国林业出版社,1999[3] 冯仲科 林业3s 理论、技术的教学与科研[J ] 中国林业教育,2001(3):29 32 [4] 谭 伟,蔡学成,张 贤 3S 技术在林业上的应用现状与发展趋势[J] 中国林业教育,2006(1)106 112[5] 许兰霞,冯仲科 3S 技术用于森林与生态环境综合监测及评价中存在的问题及其进一步完善的途径[J] 世界林业研究,2000,13(2):14 19[6] 张 雁,谭 伟,冯仲科 广义3S 技术在林业上的应用现状与发展趋势[J] 北京林业大学学报,2005(27):213 217数字林业 Digital Forestry47二一 年第十期 林业实用技术化、融合和传输的功能,是传统的在线监测系统所不能比拟的。
2002年,英特尔公司率先在俄勒冈建立了世界上第一个无线葡萄园。
传感器节点被分布在葡萄园的每个角落,每隔1min 检测1次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量,以确保葡萄可以健康生长。
同年英特尔研究实验室研究人员曾经将32个小型传感器M ote 连进互联网,用于监测观察缅因州!大鸭岛∀上动物的栖息地环境,来评价一种海燕巢的条件,并且长时间搜集光线、温度等环境气候因子的变化资料。
[1]但无线传感器网络在林业监测中的应用尚处于起步阶段,在大面积的林区采用无线传感器网络进行环境监测,还有很多问题尚待解决。
2 ZigBee 技术Z igBee 是一种短距离、架构简单、低功耗和低速率的无线通讯技术。
Z ig bee 联盟于2005年6月公布了无线个人局域网络标准之一的Zig bee 协议,它具有高通信效率、低复杂度、低功耗、低成本、高安全性及全数字化等优点,成为最适合构建低速率WSN 的标准之一。
它的物理层、M AC 层和链路层采用了IEEE802 15 4(个人无线局域网)协议标准,并在此基础进行了进一步的完善。
它工作在采用直接序列扩频的工业科学医疗(ISM )频段,即2 4GH z 、915M Hz 、868M H z 的免执照频段,非常适用于无线传感器网络。
ZigBee 工作在低耗电待机模式下,一块普通的碱性电池可支持一个节点工作6个月到2a 时间,甚至更长。
这是ZigBee 的突出优势,特别适合应用于低成本的传感器网络。
把它放入森林里,可以长时间对环境的数据进行收集,不需频繁的更换电池。
[2]CC2430是T I 公司推出的新一代Z igBee 无线单片机系列芯片。
CC2430除了包括RF 收发器外,还集成了加强型8051单片机、它具有2/64/128kB 可编程闪存和8kB 的RA M ,以及ADC 、看门狗等。
CC2430可工作在2 4GHz 频段,采用低电压(2 0~3 6V)供电,待机时电流消耗仅0 2 A ,但灵敏度高达-91dBm 、最大输出为+0 6dBm 、最大传送速率为250kbps 。
CC2430仅需添加少量的外围元件就可以完成ZigBee 通信功能的硬件实现。
3 系统设计在林区建立WSN 首先遇到的问题就是如何布设WSN 节点,林区的特点是面积大,地形复杂,环境恶劣,这给在林区布设无线传感器网络带来了很大的困难。
有人提出用随机抛洒的方式[4],笔者认为这种方式弊大于利,首先是由于抛洒的不均匀性,会导致有的节点因为与邻接节点的距离过远而无法收到信号,成为!孤点∀而失效;其次由于林区的地形复杂,有很多的陡坡和深谷,在水流和大风的影响下,节点会发生位移,严重时会有大量的节点因失去联系而成为失效的!孤点∀,影响系统的稳定性。
更为重要的是,一段时间后,随着电池的耗尽,大量的节点失效,不得不进行新的抛洒。
而那些大量含有废电池和电子元器件的失效节点无法回收,任其长期滞留在森林里,将会造成严重的环境污染。
因此,我们认为,节点的布设必须用人工的方式进行,而且要进行良好的固定,并设置明显的标志,失效的电池必须予以回收。
尽管这会大大增加人工的工作量,但保护森林的生态环境是第一位的。
无线传感器节点在林区的环境下,无线发射的覆盖范围只有50~100m 左右,1km 2的区域就需要布设100~200个节点,而一个林区的面积往往有几十甚至上百平方公里,需要布设成千上万个节点。
众多的节点会造成频繁的无线信道的争用冲突,导致重发的概率大大提高,从而降低通信的效率,增加了节点的功耗。
为此,本文提出一种基于链状分簇的传感器节点布设方案,网络拓扑结构如图1所示,传感器节点以林区的边沿外围为起点,向林区的深处以链状的形式进行布设,每一条链为一个簇,簇头(Zig Bee 的网络协调器)固定设在林区的边沿外围(如林区的公路),必须有稳定的电源供电(如太阳能电池或交流电),并配有大功率无线收发模块,负责收集本簇各个节点所采集的数据,并上传给远处的控制中心基站,同时接收来自基站的控制命令。
图1 传感器节点链状分簇布设传感器节点所采集的数据经过融合后沿着节点链逐跳传递给簇头,为了防止因链中某个节点失效而导致断链的现象,节点与节点之间的距离应小于30m,一旦某节点失效,失效节点的前、后节点之间的距离依然在无线收发的有效范围,因此可加大前、后节点的发射强度直接建立连接,进行隔跳传输。
链簇与链簇之间尽可能的拉开距离,避免相互之间的无线信号干扰,以便尽可能地降低信道争用冲突的概率。
4 系统实现在Zig Bee 中,网络节点有3种类型:网络协调器ZC 、路由器ZR 和终端节点ZED 。
一个簇中必须有且只能有一个Z C (簇头),在本方案中,除了簇头和最远端(即簇链的末端)的一个节点为ZED 之外,其余节点均为Z R 。
可根据需要在某些ZR 节点上安装传感器,用以采集环境数据,其余节点可不安装传感器,主要用来转发数据。
我们把从簇头向簇链的末端方向传输数据称为下行,反之向簇头方向传输数据称为上行。
相对每个节点而言,上行方向相邻的那个节点称为该节点的父节点,下行方向相邻的那个节点称为该节点的子节点。
因此,除簇头没有父节点和簇链末端的节点没有子节点外,每个节点均有一个父节点和一个子节点。
系统的协议栈由物理层、M A C 层、网络层和应用层构成,如图2所示,应用层负责环境数据的采集、数据融合和唤醒周期的控制等工作;网络层负责网络的建立和维护、节点的管理和数据的传输等工作;M A C 层负责数据包的发送和接收、信道的扫描和评估、发射功率的控制和能量检测等工作;CC2430及外围硬件电路构成物理层。