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現代紅泥膜沼氣池農業必須增加糧食生產才能滿足全球如此  大量的人口。為解決這一問題,紅泥膜沼氣池農業領域正在應用  新技術和新的解決方案,以提供收集和處理信息并  提高生產力的最佳選擇。此外,令人擔憂的氣候變  化和缺水現狀,要求出現新的提高現代紅泥膜沼氣池農業領域的  技術6。目前這類技術主要包括;無線傳感器網絡( Wireless Sensor Networks,WSN)、通用分組無線業務(GPRS)、全球定位系統(CPS)、遙感和地理信息系統(GIS)。

這些技術中,在紅泥膜沼氣池農業領域主要是應用WSN改進傳統紅泥膜沼氣池農業生產方法-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絡,通過無線媒介完成部署以服務于特定的應用目的(見圖1)。這些傳感器利用先進的微電子機械系統( Micro- Electro- Mechanical- Systems,MEMS)技術使得其自身變得小巧便宜。這種傳感器獨特的操作性質,以及自組織的小型節點,可擴展且經濟高效的技

術,使WSN成為實現紅泥膜沼氣池農業自動化目標的一個可行的解決方案,在植物生長優化、農田監測、溫室氣體監測、紅泥膜沼氣池農業生產過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中,目前大部分基于WSN的應用都是針

對具體的問題。例如,用于環境的WSN,對土壤養  分信息進行狀態監測,隨著時間的推移預測作物健  康和生產質量。WSN在灌溉調度中的應用主要通過監測土壤水分和天氣條件來實現m。基于可擴展性,只需要通過增加傳感器節點就可改進現有的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題主要是最佳部署策略的確定、  測量間隔、節能介質訪問和路由協議21。例如,具有長數據收集的節點的稀疏部署間隔有助于提高網絡的使用壽命。但是,也可能出現其他挑戰。例如,  如果字段區域被分隔,那么障礙物就會導致信號的衰減進而影響節點間的通信。  因此,為了使WSN更好地為紅泥膜沼氣池農業服務,需要對  現有WSN技術在紅泥膜沼氣池農業領域的應用進行調查,分析  WSN在改進紅泥膜沼氣池農業生產方式,提高生產效率和生產質  量的使用特點,對其布置方式和通信技術等進行分  類,討論WSN技術在土壤、環境、植物生長和沼氣工程等中的潛在應用。

1兩類廣泛應用的wsN

1.1地面無線傳感器網絡( Terrestrial Wireless Sen  sor Network, TWSN)

在TWSN中,節點被部署在地面以上。MEMS  技術的進步使得智能,小尺寸,但成本低的傳感器被創建。這些強大的傳感器支持傳感器節點或微塵準確收集周圍的數據。基于傳感到的信息,這些節點內部形成網絡以完成應用要求。在精準紅泥膜沼氣池農業中,可通過TWSN部署實現灌溉系統的自動化。有研究提出了一種使用TWSN和GPRS模塊的自動灌溉系統,其所用傳感器通過確定土壤的含水量,共同決定  灌溉的時間點和持續時長[15  1.2無線地下傳感器網絡( Wireless UndergroundSensor Networks, WUSN)

另一大類WSN是它的地下配套設備一無線地下傳感器網絡(WUSN)。在這個類型中,無線傳感  器種植在土壤中。埋于地下使得高頻遭受嚴重的衰  減,相反低頻則能夠穿透土壤2)。因此,通信半徑  受到限制,網絡則需要更多的節點來覆蓋較大的區  域。有線傳感器的應用可增加網絡覆蓋,同時需要  相對較少數量的傳感器。但是,在有線這種設計下,  傳感器和電線可能容易受到紅泥膜沼氣池農業活動的影響。3兩大類WSN的區別

TWSN和WUSN具體的區別見表1

2WsN在紅泥膜沼氣池農業領域中的使用特點

WSN成為紅泥膜沼氣池農業領域自動化生產工具主要基于其以下幾方面的顯著特點。

(1)智能決策能力:WSN具有多跳特性,在大范圍內,該特性提高了整個網絡的能源效率,從而延長了網絡壽命。使用此功能,多個傳感器節點可以相互協作,共同作出最終決定23。

(2)動態拓撲配置:為節省節點內電池電量,傳感器節點大多數時間都處于“睡眠模式”。使用拓撲管理技術,傳感器節點可以協作地做出睡眠決定。為了最大化網絡生命周期,配置網絡拓撲以使得最小數量的節點保持在活動模式  [26-29

(3)容錯:部署WSN的一個常見挑戰是傳感器節點容易出錯。在這種情況下,節點的計劃外部署可能會導致網絡分區,從而影響網絡的整體性能。然而,在對策中,傳感器節點可以通過動態配置網絡  拓撲實現“自組織”3。

4)情境感知:基于感知到的關于物理和環境參數的信息,傳感器節點獲得關于周圍情境的信息。此后傳感器節點所做的決定是基于上下情境的2。

(5)可擴展性:通常,無論WSN協議的大小和節點數量如何,WSN協議均可在任何網絡中實施。該功能無疑擴大了WSN在眾多應用中的潛力。

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

7)在惡劣的環境條件下對通信故障的容忍度:由于在開放式紅泥膜沼氣池農業環境中廣泛的應用,WSN受  到惡劣環境條件的影響。WSN協議包含的技術可  以承受由于環境改變而引起的網絡通信故障。

(8)自動操作模式:WSN的一個重要特征是其  自動操作模式和適應性。在紅泥膜沼氣池農業應用中,這個功能  當然起著重要的作用,并且能夠實現簡單而先進的  操作模式)。

(9)信息安全:WsN攜帶有關現場參數的原始

息。為了確保信息的安全性,WSN提供了訪問控

制機制和異常檢測來限制未認證的用戶

3WSN在紅泥膜沼氣池農業領域中的潛在應用

下面列出WSN在紅泥膜沼氣池農業領域可能的潛在應用。

(1)灌溉管理系統:現代紅泥膜沼氣池農業需要改進灌溉管

理系統來優化紅泥膜沼氣池農業用水。地下水位的驚人降低是另

農田需要先進灌溉系統的動機。在這種情況

下,微灌技術具有成本效益和用水效率高的特點。但是,根據環境和土壤信息,可以進一步改善微灌效率。在這方面,wsN被用作協調技術13,,y4。

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

(3)病蟲害防治:控制農藥和化肥的使用有助于提高作物質量,并最大限度地降低紅泥膜沼氣池農業成本。但是,為了控制農藥濫用,我們需要監測農作物中病蟲害的發生概率。為了預測這一點,需要周圍的氣候信息,如溫度、濕度和風速。WSN可以自主監測和預測這些參數

(4)肥料的使用控制:植物生長和作物質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。但是,通過監測土壤營養物質的變化,如N,P,K和pH值可以實現土壤營養平衡,作物生產質量也可得以保持。

(5)牲畜運動監測:可以使用WSN技術或無線射頻識別器監測一群牲畜,實現對牲畜的實時監控,并了解是否有牲畜在植被附近移動

(6)地下水質量監測:化肥和農藥的使用量增加導致地下水質量下降,通過無線通信放置傳感器節點有助于監測水質4.6)。

(7)溫室氣體監測:溫室氣體與紅泥膜沼氣池農業密切相關溫室氣體提高環境溫度,從而對紅泥膜沼氣池農業產生直接影響

另一方面,紅泥膜沼氣池農業生產如糞便等有機物的發酵又排放  溫室氣體。有研究介紹可利用太陽能無人駕駛飛行  器和WSN系統監測溫室氣體一甲烷和二氧化  碳。  (8)資產追蹤:采用無線技術可以遠程追蹤表  業設備資產。使用者可以從家中追蹤農用車輛和著  展系統的位置“。在紅泥膜沼氣池農業工程方面,如沼氣工程  也可以實現如原料收儲運車輛,沼渣沼液運輸車輛  等工程設備的全追蹤  ()沼氣工程遠程控制和診斷:隨著物聯網的  出現,遠程控制和診斷沼氣工程設備,例如,泵燈  加熱器、機械閥門也是可能的4

4WsN在紅泥膜沼氣池農業應用中使用的技術和標準

當前,WsN在紅泥膜沼氣池農業應用中使用的主要有無線通

技術和節能技術。其中無線通訊技術主要有e

Be,wiF,藍牙,CPRS3G4G, WiMAX等,每一類

技術都建立了一定的技術標準,表2對這些通信技

術做出了比較。而節能技術主要包括太陽能、水流

能、空氣能和微生物燃料電池。

4.1無線通信技術

(1) ZigBee:此技術基于lEE802.15.4標準物理層和MAC層來定義網絡和應用層協議,這些定義是使用低功耗無線設備設計無線局域網所必需的。作為節能低成本和可靠的zgBe技術,它在紅泥膜沼氣池農業  領域的WSN應用中是首選。 ZigBee還支持通過多層、分散、特設和網狀網絡的短距離(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應用,如灌溉管理,農藥和肥料控制水質管理需要定期更新信息。但 ZigBee有一個較大的缺點,其應用在868915MHz和ISM頻段的2.4GHz頻率下分別只產生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

2)WFi:WiFi是基于IEEE802.11標準系列(IEE802.11802.1la/b/g/n)的無線局域網WLAN)標準,用于信息交換或無線連接到互聯網目前,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線技術。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應用中,wFi拓展了通過ad  hoc網絡連接多種類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,低成本的無線技術,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頻率的個人區域網絡通信。各種藍牙版本的數據速率范圍為1Mhps-24Mps這種技術的優點是其無處不在的性質,因此它適用于多層紅泥膜沼氣池農業應用。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,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  通訊系統( Global System for Mobile Communication,  GSM)的蜂窩電話的分組數據業務。在2G系統中  實現了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的數量。盡管GPRS帶來的最大優勢是緩解了無線設備的范圍限制。任何兩個設備都可以通信,只要它們都位于CSM服務區。但是,它更適合定期監測應用,而不適用于實時跟蹤型應用。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代移動通信技術。這些技術實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,無線通信標準是指IEEE802.16標準系列的可互操作實現。 WiMAX的目標是在固定臺站實現0.4Cbps~1chps的數據速率,使用該技術的最大傳輸距離為50公里。移動 WIMAX(IEEE802.16e標準)提供大約50Mbps~100Mbps數據速率。此外,據稱WMAX在4C之前的長期評估(LTE)和高  速分組接入(HSPA+)演進中具有高能效。遠程支  持和高速通信功能使 WiMAX成為紅泥膜沼氣池農業應用的最佳  技術,涉及資產監控,如紅泥膜沼氣池農業系統監控,作物區域邊  界監控以及遠程控制水泵,燈光等實時診斷,耕作系統的遠程診斷。

4.2節能技術

4.2.1太陽能

基于光伏系統和方法的太陽能可用于基于wSN的紅泥膜沼氣池農業應用。太陽能電池為確保紅泥膜沼氣池農業監測系統的穩定運行提供了一個很好的解決方案。太陽能電池能源已被多項研究用于為紅泥膜沼氣池農業應用中的傳感器節點提供長期能源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路由器節點產生能量。這個方法可應用于不同

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

4.2.3空氣能(風能)

風能是另一種可用于向傳感器節點供電的能量收集技術。設計中應考慮自適應路由協議,風能收  集和睡眠調度,以最小化通信網絡收發器的功耗并延長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被稱為微生物燃料電池。這項技術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線協議,可用于監測潛水區、自流井和水箱的水位

結論

通過引入新的需求,將WSN融入到推進紅泥膜沼氣池農業生產和紅泥膜沼氣池農業環保工程(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應用WSN的最新技術進行了全面的回顧。本文介紹了WSN的兩大類型一地面WSN和地下WSN,強調了WSN在紅泥膜沼氣池農業中的應用特點,以及它們解決各種紅泥膜沼氣池農業問題的潛力。并對WSN的不同通信技術作出比較,并列出了未來可重點關注的節能技術。目前應用WSN作為解決方案的最先進技術是灌溉管理,農作物疾病預測和葡萄園精準紅泥膜沼氣池農業生產。與此同時,隨著現代技術的  出現,創新高效的WSN系統還有很大的應用空間,  但降低成本也非常關鍵。總體而言,WSN這些應用  程序的成功需要未來的預先規劃,并需要特別關注其在中低收入國家的應用問題。

摘自《中國沼氣》第4期 向模軍 鄒承俊