种植现场大数据采集地地研究

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