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現代紅泥膜沼氣池農業(yè)必須增加糧食生產(chǎn)才能滿(mǎn)足全球如此  大量的人口。為解決這一問(wèn)題,紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域正在應用  新技術(shù)和新的解決方案,以提供收集和處理信息并  提高生產(chǎn)力的最佳選擇。此外,令人擔憂(yōu)的氣候變  化和缺水現狀,要求出現新的提高現代紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域的  技術(shù)6。目前這類(lèi)技術(shù)主要包括;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )( Wireless Sensor Networks,WSN)、通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)(GPRS)、全球定位系統(CPS)、遙感和地理信息系統(GIS)。

這些技術(shù)中,在紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域主要是應用WSN改進(jìn)傳統紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)方法-11。WSN的研究起步于20世紀90年代,它是由電池供電的傳感器互連組成的網(wǎng)絡(luò ),通過(guò)無(wú)線(xiàn)媒介完成部署以服務(wù)于特定的應用目的(見(jiàn)圖1)。這些傳感器利用先進(jìn)的微電子機械系統( Micro- Electro- Mechanical- Systems,MEMS)技術(shù)使得其自身變得小巧便宜。這種傳感器獨特的操作性質(zhì),以及自組織的小型節點(diǎn),可擴展且經(jīng)濟高效的技

術(shù),使WSN成為實(shí)現紅泥膜沼氣池農業(yè)自動(dòng)化目標的一個(gè)可行的解決方案,在植物生長(cháng)優(yōu)化、農田監測、溫室氣體監測、紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理以及農作物安全等方面的應用潛力巨大12-19

在紅泥膜沼氣池農業(yè)中,目前大部分基于WSN的應用都是針

對具體的問(wèn)題。例如,用于環(huán)境的WSN,對土壤養  分信息進(jìn)行狀態(tài)監測,隨著(zhù)時(shí)間的推移預測作物健  康和生產(chǎn)質(zhì)量。WSN在灌溉調度中的應用主要通過(guò)監測土壤水分和天氣條件來(lái)實(shí)現m?；诳蓴U展性,只需要通過(guò)增加傳感器節點(diǎn)就可改進(jìn)現有的WsN的應用程序以監控更多的參數。這些應用程序中存在的問(wèn)題主要是最佳部署策略的確定、  測量間隔、節能介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)和路由協(xié)議21。例如,具有長(cháng)數據收集的節點(diǎn)的稀疏部署間隔有助于提高網(wǎng)絡(luò )的使用壽命。但是,也可能出現其他挑戰。例如,  如果字段區域被分隔,那么障礙物就會(huì )導致信號的衰減進(jìn)而影響節點(diǎn)間的通信。  因此,為了使WSN更好地為紅泥膜沼氣池農業(yè)服務(wù),需要對  現有WSN技術(shù)在紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域的應用進(jìn)行調查,分析  WSN在改進(jìn)紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)方式,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)  量的使用特點(diǎn),對其布置方式和通信技術(shù)等進(jìn)行分  類(lèi),討論WSN技術(shù)在土壤、環(huán)境、植物生長(cháng)和沼氣工程等中的潛在應用。

1兩類(lèi)廣泛應用的wsN

1.1地面無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )( Terrestrial Wireless Sen  sor Network, TWSN)

在TWSN中,節點(diǎn)被部署在地面以上。MEMS  技術(shù)的進(jìn)步使得智能,小尺寸,但成本低的傳感器被創(chuàng )建。這些強大的傳感器支持傳感器節點(diǎn)或微塵準確收集周?chē)臄祿??；趥鞲械降男畔?這些節點(diǎn)內部形成網(wǎng)絡(luò )以完成應用要求。在精準紅泥膜沼氣池農業(yè)中,可通過(guò)TWSN部署實(shí)現灌溉系統的自動(dòng)化。有研究提出了一種使用TWSN和GPRS模塊的自動(dòng)灌溉系統,其所用傳感器通過(guò)確定土壤的含水量,共同決定  灌溉的時(shí)間點(diǎn)和持續時(shí)長(cháng)[15  1.2無(wú)線(xiàn)地下傳感器網(wǎng)絡(luò )( Wireless UndergroundSensor Networks, WUSN)

另一大類(lèi)WSN是它的地下配套設備一無(wú)線(xiàn)地下傳感器網(wǎng)絡(luò )(WUSN)。在這個(gè)類(lèi)型中,無(wú)線(xiàn)傳感  器種植在土壤中。埋于地下使得高頻遭受?chē)乐氐乃?nbsp; 減,相反低頻則能夠穿透土壤2)。因此,通信半徑  受到限制,網(wǎng)絡(luò )則需要更多的節點(diǎn)來(lái)覆蓋較大的區  域。有線(xiàn)傳感器的應用可增加網(wǎng)絡(luò )覆蓋,同時(shí)需要  相對較少數量的傳感器。但是,在有線(xiàn)這種設計下,  傳感器和電線(xiàn)可能容易受到紅泥膜沼氣池農業(yè)活動(dòng)的影響。3兩大類(lèi)WSN的區別

TWSN和WUSN具體的區別見(jiàn)表1

2WsN在紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域中的使用特點(diǎn)

WSN成為紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)化生產(chǎn)工具主要基于其以下幾方面的顯著(zhù)特點(diǎn)。

(1)智能決策能力:WSN具有多跳特性,在大范圍內,該特性提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的能源效率,從而延長(cháng)了網(wǎng)絡(luò )壽命。使用此功能,多個(gè)傳感器節點(diǎn)可以相互協(xié)作,共同作出最終決定23。

(2)動(dòng)態(tài)拓撲配置:為節省節點(diǎn)內電池電量,傳感器節點(diǎn)大多數時(shí)間都處于“睡眠模式”。使用拓撲管理技術(shù),傳感器節點(diǎn)可以協(xié)作地做出睡眠決定。為了最大化網(wǎng)絡(luò )生命周期,配置網(wǎng)絡(luò )拓撲以使得最小數量的節點(diǎn)保持在活動(dòng)模式  [26-29

(3)容錯:部署WSN的一個(gè)常見(jiàn)挑戰是傳感器節點(diǎn)容易出錯。在這種情況下,節點(diǎn)的計劃外部署可能會(huì )導致網(wǎng)絡(luò )分區,從而影響網(wǎng)絡(luò )的整體性能。然而,在對策中,傳感器節點(diǎn)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)配置網(wǎng)絡(luò )  拓撲實(shí)現“自組織”3。

4)情境感知:基于感知到的關(guān)于物理和環(huán)境參數的信息,傳感器節點(diǎn)獲得關(guān)于周?chē)榫车男畔?。此后傳感器節點(diǎn)所做的決定是基于上下情境的2。

(5)可擴展性:通常,無(wú)論WSN協(xié)議的大小和節點(diǎn)數量如何,WSN協(xié)議均可在任何網(wǎng)絡(luò )中實(shí)施。該功能無(wú)疑擴大了WSN在眾多應用中的潛力。

(6)節點(diǎn)異質(zhì)性:WSN通常被認為是由均勻傳感器連接的設備組成。然而,在許多現實(shí)場(chǎng)景中,這些設備在處理和計算能力、存儲器、感測能力、收發(fā)器單元和移動(dòng)能力方面是異構的””。

7)在惡劣的環(huán)境條件下對通信故障的容忍度:由于在開(kāi)放式紅泥膜沼氣池農業(yè)環(huán)境中廣泛的應用,WSN受  到惡劣環(huán)境條件的影響。WSN協(xié)議包含的技術(shù)可  以承受由于環(huán)境改變而引起的網(wǎng)絡(luò )通信故障。

(8)自動(dòng)操作模式:WSN的一個(gè)重要特征是其  自動(dòng)操作模式和適應性。在紅泥膜沼氣池農業(yè)應用中,這個(gè)功能  當然起著(zhù)重要的作用,并且能夠實(shí)現簡(jiǎn)單而先進(jìn)的  操作模式)。

(9)信息安全:WsN攜帶有關(guān)現場(chǎng)參數的原始

息。為了確保信息的安全性,WSN提供了訪(fǎng)問(wèn)控

制機制和異常檢測來(lái)限制未認證的用戶(hù)

3WSN在紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域中的潛在應用

下面列出WSN在紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域可能的潛在應用。

(1)灌溉管理系統:現代紅泥膜沼氣池農業(yè)需要改進(jìn)灌溉管

理系統來(lái)優(yōu)化紅泥膜沼氣池農業(yè)用水。地下水位的驚人降低是另

農田需要先進(jìn)灌溉系統的動(dòng)機。在這種情況

下,微灌技術(shù)具有成本效益和用水效率高的特點(diǎn)。但是,根據環(huán)境和土壤信息,可以進(jìn)一步改善微灌效率。在這方面,wsN被用作協(xié)調技術(shù)13,,y4。

(2)紅泥膜沼氣池農業(yè)系統監測:目前,紅泥膜沼氣池農業(yè)中使用各種改進(jìn)的系統和設備。而用于管理這些設備的改進(jìn)系統(如WsN)簡(jiǎn)化了整體操作并實(shí)現了自動(dòng)化。此外遠程監測系統有助于改善大型紅泥膜沼氣池農業(yè)工程(如沼氣工程)的管理。再通過(guò)輸入諸如衛星圖像和天氣預報之類(lèi)的附加信息,可以改善系統整體性能

(3)病蟲(chóng)害防治:控制農藥和化肥的使用有助于提高作物質(zhì)量,并最大限度地降低紅泥膜沼氣池農業(yè)成本。但是,為了控制農藥濫用,我們需要監測農作物中病蟲(chóng)害的發(fā)生概率。為了預測這一點(diǎn),需要周?chē)臍夂蛐畔?如溫度、濕度和風(fēng)速。WSN可以自主監測和預測這些參數

(4)肥料的使用控制:植物生長(cháng)和作物質(zhì)量很大程度上取決于肥料的使用。然而,找到最佳肥料供應量是一項具有挑戰性的任務(wù)。但是,通過(guò)監測土壤營(yíng)養物質(zhì)的變化,如N,P,K和pH值可以實(shí)現土壤營(yíng)養平衡,作物生產(chǎn)質(zhì)量也可得以保持。

(5)牲畜運動(dòng)監測:可以使用WSN技術(shù)或無(wú)線(xiàn)射頻識別器監測一群牲畜,實(shí)現對牲畜的實(shí)時(shí)監控,并了解是否有牲畜在植被附近移動(dòng)

(6)地下水質(zhì)量監測:化肥和農藥的使用量增加導致地下水質(zhì)量下降,通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信放置傳感器節點(diǎn)有助于監測水質(zhì)4.6)。

(7)溫室氣體監測:溫室氣體與紅泥膜沼氣池農業(yè)密切相關(guān)溫室氣體提高環(huán)境溫度,從而對紅泥膜沼氣池農業(yè)產(chǎn)生直接影響

另一方面,紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)如糞便等有機物的發(fā)酵又排放  溫室氣體。有研究介紹可利用太陽(yáng)能無(wú)人駕駛飛行  器和WSN系統監測溫室氣體一甲烷和二氧化  碳。  (8)資產(chǎn)追蹤:采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)可以遠程追蹤表  業(yè)設備資產(chǎn)。使用者可以從家中追蹤農用車(chē)輛和著(zhù)  展系統的位置“。在紅泥膜沼氣池農業(yè)工程方面,如沼氣工程  也可以實(shí)現如原料收儲運車(chē)輛,沼渣沼液運輸車(chē)輛  等工程設備的全追蹤  ()沼氣工程遠程控制和診斷:隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的  出現,遠程控制和診斷沼氣工程設備,例如,泵燈  加熱器、機械閥門(mén)也是可能的4

4WsN在紅泥膜沼氣池農業(yè)應用中使用的技術(shù)和標準

當前,WsN在紅泥膜沼氣池農業(yè)應用中使用的主要有無(wú)線(xiàn)通

技術(shù)和節能技術(shù)。其中無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)主要有e

Be,wiF,藍牙,CPRS3G4G, WiMAX等,每一類(lèi)

技術(shù)都建立了一定的技術(shù)標準,表2對這些通信技

術(shù)做出了比較。而節能技術(shù)主要包括太陽(yáng)能、水流

能、空氣能和微生物燃料電池。

4.1無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

(1) ZigBee:此技術(shù)基于lEE802.15.4標準物理層和MAC層來(lái)定義網(wǎng)絡(luò )和應用層協(xié)議,這些定義是使用低功耗無(wú)線(xiàn)設備設計無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)所必需的。作為節能低成本和可靠的zgBe技術(shù),它在紅泥膜沼氣池農業(yè)  領(lǐng)域的WSN應用中是首選。 ZigBee還支持通過(guò)多層、分散、特設和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的短距離(10m-20m)數據通信。支持 ZigBee的設備具有低工作周期,因此適用于紅泥膜沼氣池農業(yè)應用,如灌溉管理,農藥和肥料控制水質(zhì)管理需要定期更新信息。但 ZigBee有一個(gè)較大的缺點(diǎn),其應用在868915MHz和ISM頻段的2.4GHz頻率下分別只產(chǎn)生20kbps-40kbp和

0kbps的低數據速率。通常,該標準要求低規格的硬件(例如具有50kb~60kb存儲器的微處理器)并且包括安全加密技術(shù)

2)WFi:WiFi是基于IEEE802.11標準系列(IEE802.11802.1la/b/g/n)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WLAN)標準,用于信息交換或無(wú)線(xiàn)連接到互聯(lián)網(wǎng)目前,它是從智能手機和平板電腦到臺式機和筆記本電腦等設備中使用最廣泛的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。WF提供20m(室內)至100m(室外)的良好通信范圍,數

據傳輸速率在ISM頻帶的2.4GHz頻率處為2  Mps-s4Mbps。在紅泥膜沼氣池農業(yè)應用中,wFi拓展了通過(guò)ad  hoc網(wǎng)絡(luò )連接多種類(lèi)型設備的異構體系結構的使用。  (3)藍牙:基于IEEE802.15.1標準的藍牙是  一種低功耗,低成本的無(wú)線(xiàn)技術(shù),用于短距離(8m  10m)的便攜式設備和臺式機之間的通信。藍牙標準定義了使用1SM頻段的24CHz頻率的個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )通信。各種藍牙版本的數據速率范圍為1Mhps-24Mps這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是其無(wú)處不在的性質(zhì),因此它適用于多層紅泥膜沼氣池農業(yè)應用。該標準的超低功耗,低成本版本被命名為藍牙低功耗(BLE),該技術(shù)最初于2006年由諾基亞作為 Wibree推出。但是,在2010年,BLE與主要藍牙標準版本4.0合并。BLE還使用具有自適應跳頻的24 GHz ISM頻段來(lái)減少干擾。此外,BLE在所有數據包中都包含24位CRC和AES128位加密技術(shù),以確保靈活性和身份  驗證。BLE拓撲支持一對一以及設備之間的一對多連接  (4)GPRS/3C4G:GPS是用于基于全球移動(dòng)  通訊系統( Global System for Mobile Communication,  GSM)的蜂窩電話(huà)的分組數據業(yè)務(wù)。在2G系統中  實(shí)現了50kbps-100kbps的數據速率。但是,在

GPRS中,吞吐量和延遲是可變的,并且取決于共享相同資源的其他用戶(hù)的數量。盡管GPRS帶來(lái)的最大優(yōu)勢是緩解了無(wú)線(xiàn)設備的范圍限制。任何兩個(gè)設備都可以通信,只要它們都位于CSM服務(wù)區。但是,它更適合定期監測應用,而不適用于實(shí)時(shí)跟蹤型應用。GPRS的高級版本(3G和4G)提供了更高的數據速率,3G和4G是第3代和第4代移動(dòng)通信技術(shù)。這些技術(shù)實(shí)現的相應數據傳輸速率分別為3G和4G中的200kbps和100Mbps~1Gbps

(5) WiMAX: WIMAX是全球微波接入互操作性Worldwide Interoperability for Microwave Access )H縮寫(xiě),無(wú)線(xiàn)通信標準是指IEEE802.16標準系列的可互操作實(shí)現。 WiMAX的目標是在固定臺站實(shí)現0.4Cbps~1chps的數據速率,使用該技術(shù)的最大傳輸距離為50公里。移動(dòng) WIMAX(IEEE802.16e標準)提供大約50Mbps~100Mbps數據速率。此外,據稱(chēng)WMAX在4C之前的長(cháng)期評估(LTE)和高  速分組接入(HSPA+)演進(jìn)中具有高能效。遠程支  持和高速通信功能使 WiMAX成為紅泥膜沼氣池農業(yè)應用的最佳  技術(shù),涉及資產(chǎn)監控,如紅泥膜沼氣池農業(yè)系統監控,作物區域邊  界監控以及遠程控制水泵,燈光等實(shí)時(shí)診斷,耕作系統的遠程診斷。

4.2節能技術(shù)

4.2.1太陽(yáng)能

基于光伏系統和方法的太陽(yáng)能可用于基于wSN的紅泥膜沼氣池農業(yè)應用。太陽(yáng)能電池為確保紅泥膜沼氣池農業(yè)監測系統的穩定運行提供了一個(gè)很好的解決方案。太陽(yáng)能電池能源已被多項研究用于為紅泥膜沼氣池農業(yè)應用中的傳感器節點(diǎn)提供長(cháng)期能源32=3。

4.2.2水流能

利用作物灌溉系統管道中的水流能量,為ZigBee路由器節點(diǎn)產(chǎn)生能量。這個(gè)方法可應用于不同

的紅泥膜沼氣池農業(yè)領(lǐng)域,例如溫室,水產(chǎn)養殖和水培系統,因為在這些系統中管道中的水循環(huán)是連續的。與體積龐大的水力發(fā)電設施原理一樣,可將管道中的水流的運行連接到小型直流發(fā)電機的渦輪機。

4.2.3空氣能(風(fēng)能)

風(fēng)能是另一種可用于向傳感器節點(diǎn)供電的能量收集技術(shù)。設計中應考慮自適應路由協(xié)議,風(fēng)能收  集和睡眠調度,以最小化通信網(wǎng)絡(luò )收發(fā)器的功耗并延長(cháng)WSN的生命周期。

4.2.4微生物燃料電池

另一種能量收集技術(shù)被稱(chēng)為微生物燃料電池。這項技術(shù)是從微生物燃料電池這種能源中立系統中提取能量以供應傳感器和其低功耗的微控制器和無(wú)線(xiàn)協(xié)議,可用于監測潛水區、自流井和水箱的水位

結論

通過(guò)引入新的需求,將WSN融入到推進(jìn)紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)和紅泥膜沼氣池農業(yè)環(huán)保工程(如沼氣工程)的行列中,是目前的大勢所趨。本文對現代紅泥膜沼氣池農業(yè)應用WSN的最新技術(shù)進(jìn)行了全面的回顧。本文介紹了WSN的兩大類(lèi)型一地面WSN和地下WSN,強調了WSN在紅泥膜沼氣池農業(yè)中的應用特點(diǎn),以及它們解決各種紅泥膜沼氣池農業(yè)問(wèn)題的潛力。并對WSN的不同通信技術(shù)作出比較,并列出了未來(lái)可重點(diǎn)關(guān)注的節能技術(shù)。目前應用WSN作為解決方案的最先進(jìn)技術(shù)是灌溉管理,農作物疾病預測和葡萄園精準紅泥膜沼氣池農業(yè)生產(chǎn)。與此同時(shí),隨著(zhù)現代技術(shù)的  出現,創(chuàng )新高效的WSN系統還有很大的應用空間,  但降低成本也非常關(guān)鍵?？傮w而言,WSN這些應用  程序的成功需要未來(lái)的預先規劃,并需要特別關(guān)注其在中低收入國家的應用問(wèn)題。

摘自《中國沼氣》第4期 向模軍 鄒承俊