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无线传感器网络的实现及在农业上的应用
1引言
无线传感器网络（Wireless Sensor Network ,WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。“传感器、感知对象和观察者”构成了网络的三个要素。这里说的传感器，并不是传统意义上的单纯的对物理信号进行感知并转化为数字信号的传感器，它是将传感器模块、数据处理模块和无线通信模块集成在一块很小的物理单元，即传感器节点上，功能比传统的传感器增强了许多，不仅能够对环境信息进行感知，而且具有数据处理及无线通信的功能。借助传感器节点中内置的形式多样的传感器件，可以测量所在环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号等信号，从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等等众多我们感兴趣的物质现象。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式。由于我国水资源已处于相当紧缺的程度,加上全国90%的废、污水未经处理或
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处理未达标就直接排放的水污染,11%的河流水质低于农田供水标准。水是农业的命脉,是生态环境的控制性要素,同时又是战略性的经济资源,因此采用水泵抽取地下水灌溉农田,实现水资源合理利用,发展节水供水,改善生态环境,是我国目前精确农业的关键，因此采用节水和节能的灌水方法是当今世界供水技术发展的总趋势。 2无线传感器网络概述
2.1无线传感器网络的系统架构
无线传感器网络的系统架构如图1所示，通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。传感器节点密布于观测区域，以自组织的方式构成网络。传感器节点对所采集信息进行处理后，以多跳中继方式将信息传输到汇聚节点。然后经由互联网或移动通信网络等途径到达管理节点。终端用户可以通过管理节点对无线传感器网络进行管理和配置、发布监测任务或收集回传数据。
图1无线传感器网络的系统架构 2.2无线传感器网络的特点
（1）自组织。由于网络所处物理环境及网络本身的不可预测因素，如：不能预先精确设定节点的位置，也不能预先知道节点之间的相邻关系，部分节点由于能量耗尽或其他原因而死亡，新的节点的加入等，使
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得网络的布设和展开能够无需依赖于任何预设的网络设施，节点之间通过分层协议和分布式算法协调各自的行为，节点开机后就可以快速自动地组成一个独立的网络多跳路由。
（2）多跳路由。网络中节点通信距离有限,节点只能与它的邻居直接通信，如果与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。
（3）大面积的空间分布，节点密集，数量巨大。
（4）以数据为中心。在无线传感器网络中，人们通常只关心某个区域内某个观测指标的数值，而不会去具体关心单个节点的观测数据。
（5）节点能力受限。传感器节点的能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。
①电源能量受限。由于传感器节点的微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。
②计算和存储能力有限。廉价微型的传感器节点带来了处理器能力弱、存储器容量小的特点，使得其不能进行复杂的计算，而传统Internet网络上成熟的协议和算法相对无线传感器网络而言开销太大，难以使用，因此必须使用简单、有效的协议及算法，如ZigBee协议。
③通信能力有限。通常，无线通信的能耗E与通信距离d的关系为：E=kdn。其中2 中英文对照外文翻译文献 （1）能量受限。传感器节点通常由普通电池或锂电池供电，能量有限。在无人值守的环境中，也是无线传感器网络应用的瓶颈之一。 （2）节点成本较高。目前市面上销售的传感器节点价格在千元以上，而无线传感器网络所需要的节点众多，因此限制了无线传感器网络的推广使用。 （3）安全性差。由于采用了无线信道、分布式控制等技术，网络更容易受到被动窃听、主动入侵等攻击。 （4）协作能力。单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而需要多个传感器节点通过算法交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，得到最终结果。 3 无线传感器网络当前在农业中的应用 针对我国水资源紧缺以及农田节水灌溉的需求,根据现有的农田灌溉装备条件,应用领域作物、土壤、水源布点等情况,分析了目前实现精确农业亟待解决的关键技术问题,提出一套采用无线传感器网络技术、适合大面积农田智能灌溉控制方法。 3.1 系统工作原理 研究单片机系统通过多个传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量(风速)和空气温度等多种信息的采集来实现对农田的精确自动灌溉控制,输出的信号信息通过无线全双工数传收发模块传送给控制中心(嵌入式系统)来确定是否启动水泵为农田供水,同时将此供水与否信息由GPRS通信通过Internet传送到远方控制中心实现远程监控,并通过计算机中的一些模型来处理信息,做出供水计划。 中英文对照外文翻译文献 3.2 无线传感器网络硬件设计 无线传感器网络模型是不同于传统无线网络的基础设施网,通过在监测区域内随意布撒大量传感器节点(简称节点),由各节点自行协调并迅速组建通信网络,在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。网络的自组织特性体现在当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建,以调整全局的探测精度,充分发挥资源优势,即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。无线传感器网络每类节点的组成一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。其中每一个单片机系统的硬件设计和软件设计都是一样。本设计的研究设计方案是只针对一个单片机系统的。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式CPU,如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列单片机等。数据传输单元可以选择由低功耗、短距离的无线通信模块组成,但考虑防盗与自然损坏,本系统选择功耗较大、传输距离较远的SA68D21DL,农民可以在办公室或家中安放主控制器。图2描述了节点的组成,其中,箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。
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