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現(xiàn)代紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)必須增加糧食生產(chǎn)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(nóng)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,令人擔憂的氣候變  化和缺水現(xiàn)狀,要求出現(xiàn)新的提高現(xiàn)代紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的  技術(shù)6。目前這類技術(shù)主要包括;無線傳感器網(wǎng)絡( Wireless Sensor Networks,WSN)、通用分組無線業(yè)務(GPRS)、全球定位系統(tǒng)(CPS)、遙感和地理信息系統(tǒng)(GIS)。

這些技術(shù)中,在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域主要是應用WSN改進傳統(tǒng)紅泥膜沼氣池農(nóng)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,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(tǒng)( 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(jié)點,可擴展且經(jīng)濟高效的技

術(shù),使WSN成為實現(xiàn)紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)自動化目標的一個可行的解決方案,在植物生長優(yōu)化、農(nóng)田監(jiān)測、溫室氣體監(jiān)測、紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程管理以及農(nóng)作物安全等方面的應用潛力巨大12-19

在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)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(huán)境的WSN,對土壤養(yǎng)  分信息進行狀態(tài)監(jiān)測,隨著時間的推移預測作物健  康和生產(chǎn)質(zhì)量。WSN在灌溉調(diào)度中的應用主要通過監(jiān)測土壤水分和天氣條件來實現(xiàn)m?；诳蓴U展性,只需要通過增加傳感器節(jié)點就可改進現(xiàn)有的WsN的應用程序以監(jiān)控更多的參數(shù)。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(jié)能介質(zhì)訪問和路由協(xié)議21。例如,具有長數(shù)據(jù)收集的節(jié)點的稀疏部署間隔有助于提高網(wǎng)絡的使用壽命。但是,也可能出現(xiàn)其他挑戰(zhàn)。例如,  如果字段區(qū)域被分隔,那么障礙物就會導致信號的衰減進而影響節(jié)點間的通信。  因此,為了使WSN更好地為紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)服務,需要對  現(xiàn)有WSN技術(shù)在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應用進行調(diào)查,分析  WSN在改進紅泥膜沼氣池農(nóng)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,對其布置方式和通信技術(shù)等進行分  類,討論WSN技術(shù)在土壤、環(huán)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(wǎng)絡( Terrestrial Wireless Sen  sor Network, TWSN)

在TWSN中,節(jié)點被部署在地面以上。MEMS  技術(shù)的進步使得智能,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(jié)點或微塵準確收集周圍的數(shù)據(jù)?；趥鞲械降男畔?這些節(jié)點內(nèi)部形成網(wǎng)絡以完成應用要求。在精準紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)中,可通過TWSN部署實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)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(tǒng),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(xù)時長[15  1.2無線地下傳感器網(wǎng)絡( Wireless UndergroundSensor Networks, WUSN)

另一大類WSN是它的地下配套設(shè)備一無線地下傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡則需要更多的節(jié)點來覆蓋較大的區(qū)  域。有線傳感器的應用可增加網(wǎng)絡覆蓋,同時需要  相對較少數(shù)量的傳感器。但是,在有線這種設(shè)計下,  傳感器和電線可能容易受到紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)活動的影響。3兩大類WSN的區(qū)別

TWSN和WUSN具體的區(qū)別見表1

2WsN在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的使用特點

WSN成為紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域自動化生產(chǎn)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(nèi),該特性提高了整個網(wǎng)絡的能源效率,從而延長了網(wǎng)絡壽命。使用此功能,多個傳感器節(jié)點可以相互協(xié)作,共同作出最終決定23。

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

(3)容錯:部署WSN的一個常見挑戰(zhàn)是傳感器節(jié)點容易出錯。在這種情況下,節(jié)點的計劃外部署可能會導致網(wǎng)絡分區(qū),從而影響網(wǎng)絡的整體性能。然而,在對策中,傳感器節(jié)點可以通過動態(tài)配置網(wǎng)絡  拓撲實現(xiàn)“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(shù)的信息,傳感器節(jié)點獲得關(guān)于周圍情境的信息。此后傳感器節(jié)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(xié)議的大小和節(jié)點數(shù)量如何,WSN協(xié)議均可在任何網(wǎng)絡中實施。該功能無疑擴大了WSN在眾多應用中的潛力。

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

7)在惡劣的環(huán)境條件下對通信故障的容忍度:由于在開放式紅泥膜沼氣池農(nóng)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(nóng)業(yè)應用中,這個功能  當然起著重要的作用,并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單而先進的  操作模式)。

(9)信息安全:WsN攜帶有關(guān)現(xiàn)場參數(shù)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(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的潛在應用

下面列出WSN在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可能的潛在應用。

(1)灌溉管理系統(tǒng):現(xiàn)代紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)需要改進灌溉管

理系統(tǒng)來優(yōu)化紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)用水。地下水位的驚人降低是另

農(nóng)田需要先進灌溉系統(tǒng)的動機。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。但是,根據(jù)環(huán)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(xié)調(diào)技術(shù)13,,y4。

(2)紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)系統(tǒng)監(jiān)測:目前,紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)中使用各種改進的系統(tǒng)和設(shè)備。而用于管理這些設(shè)備的改進系統(tǒng)(如WsN)簡化了整體操作并實現(xiàn)了自動化。此外遠程監(jiān)測系統(tǒng)有助于改善大型紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)工程(如沼氣工程)的管理。再通過輸入諸如衛(wèi)星圖像和天氣預報之類的附加信息,可以改善系統(tǒng)整體性能

(3)病蟲害防治:控制農(nóng)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(nóng)業(yè)成本。但是,為了控制農(nóng)藥濫用,我們需要監(jiān)測農(nóng)作物中病蟲害的發(fā)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(jiān)測和預測這些參數(shù)

(4)肥料的使用控制:植物生長和作物質(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(zhàn)性的任務。但是,通過監(jiān)測土壤營養(yǎng)物質(zhì)的變化,如N,P,K和pH值可以實現(xiàn)土壤營養(yǎng)平衡,作物生產(chǎn)質(zhì)量也可得以保持。

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

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

(7)溫室氣體監(jiān)測:溫室氣體與紅泥膜沼氣池農(nóng)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(nóng)業(yè)產(chǎn)生直接影響

另一方面,紅泥膜沼氣池農(nóng)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能無人駕駛飛行  器和WSN系統(tǒng)監(jiān)測溫室氣體一甲烷和二氧化  碳。  (8)資產(chǎn)追蹤:采用無線技術(shù)可以遠程追蹤表  業(yè)設(shè)備資產(chǎn)。使用者可以從家中追蹤農(nóng)用車輛和著  展系統(tǒng)的位置“。在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)工程方面,如沼氣工程  也可以實現(xiàn)如原料收儲運車輛,沼渣沼液運輸車輛  等工程設(shè)備的全追蹤  ()沼氣工程遠程控制和診斷:隨著物聯(lián)網(wǎng)的  出現(xiàn),遠程控制和診斷沼氣工程設(shè)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(nóng)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(nóng)業(yè)應用中使用的主要有無線通

技術(shù)和節(jié)能技術(shù)。其中無線通訊技術(shù)主要有e

Be,wiF,藍牙,CPRS3G4G, WiMAX等,每一類

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(jié)能技術(shù)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(shù)

(1) ZigBee:此技術(shù)基于lEE802.15.4標準物理層和MAC層來定義網(wǎng)絡和應用層協(xié)議,這些定義是使用低功耗無線設(shè)備設(shè)計無線局域網(wǎng)所必需的。作為節(jié)能低成本和可靠的zgBe技術(shù),它在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)  領(lǐng)域的WSN應用中是首選。 ZigBee還支持通過多層、分散、特設(shè)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的短距離(10m-20m)數(shù)據(jù)通信。支持 ZigBee的設(shè)備具有低工作周期,因此適用于紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)應用,如灌溉管理,農(nóng)藥和肥料控制水質(zhì)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(chǎn)生20kbps-40kbp和

0kbps的低數(shù)據(jù)速率。通常,該標準要求低規(guī)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)的無線局域網(wǎng)WLAN)標準,用于信息交換或無線連接到互聯(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(shè)備中使用最廣泛的無線技術(shù)。WF提供20m(室內(nèi))至100m(室外)的良好通信范圍,數(shù)

據(jù)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(nóng)業(yè)應用中,wFi拓展了通過ad  hoc網(wǎng)絡連接多種類型設(shè)備的異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)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(shù),用于短距離(8m  10m)的便攜式設(shè)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(qū)域網(wǎng)絡通信。各種藍牙版本的數(shù)據(jù)速率范圍為1Mhps-24Mps這種技術(shù)的優(yōu)點是其無處不在的性質(zhì),因此它適用于多層紅泥膜沼氣池農(nóng)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頻段來減少干擾。此外,BLE在所有數(shù)據(jù)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(shè)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(tǒng)( Global System for Mobile Communication,  GSM)的蜂窩電話的分組數(shù)據(jù)業(yè)務。在2G系統(tǒng)中  實現(xiàn)了50kbps-100kbps的數(shù)據(jù)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(shù)量。盡管GPRS帶來的最大優(yōu)勢是緩解了無線設(shè)備的范圍限制。任何兩個設(shè)備都可以通信,只要它們都位于CSM服務區(qū)。但是,它更適合定期監(jiān)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(shù)據(jù)速率,3G和4G是第3代和第4代移動通信技術(shù)。這些技術(shù)實現(xiàn)的相應數(shù)據(jù)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(xiàn)。 WiMAX的目標是在固定臺站實現(xiàn)0.4Cbps~1chps的數(shù)據(jù)速率,使用該技術(shù)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(shù)據(jù)速率。此外,據(jù)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(nóng)業(yè)應用的最佳  技術(shù),涉及資產(chǎn)監(jiān)控,如紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)系統(tǒng)監(jiān)控,作物區(qū)域邊  界監(jiān)控以及遠程控制水泵,燈光等實時診斷,耕作系統(tǒng)的遠程診斷。

4.2節(jié)能技術(shù)

4.2.1太陽能

基于光伏系統(tǒng)和方法的太陽能可用于基于wSN的紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)應用。太陽能電池為確保紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)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(nóng)業(yè)應用中的傳感器節(jié)點提供長期能源32=3。

4.2.2水流能

利用作物灌溉系統(tǒng)管道中的水流能量,為ZigBee路由器節(jié)點產(chǎn)生能量。這個方法可應用于不同

的紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,例如溫室,水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培系統(tǒng),因為在這些系統(tǒng)中管道中的水循環(huán)是連續(xù)的。與體積龐大的水力發(fā)電設(shè)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(風能)

風能是另一種可用于向傳感器節(jié)點供電的能量收集技術(shù)。設(shè)計中應考慮自適應路由協(xié)議,風能收  集和睡眠調(diào)度,以最小化通信網(wǎng)絡收發(fā)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(shù)被稱為微生物燃料電池。這項技術(shù)是從微生物燃料電池這種能源中立系統(tǒng)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(xié)議,可用于監(jiān)測潛水區(qū)、自流井和水箱的水位

結(jié)論

通過引入新的需求,將WSN融入到推進紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和紅泥膜沼氣池農(nóng)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(xiàn)代紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)應用WSN的最新技術(shù)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(diào)了WSN在紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)中的應用特點,以及它們解決各種紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)問題的潛力。并對WSN的不同通信技術(shù)作出比較,并列出了未來可重點關(guān)注的節(jié)能技術(shù)。目前應用WSN作為解決方案的最先進技術(shù)是灌溉管理,農(nóng)作物疾病預測和葡萄園精準紅泥膜沼氣池農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。與此同時,隨著現(xiàn)代技術(shù)的  出現(xiàn),創(chuàng)新高效的WSN系統(tǒng)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的預先規(guī)劃,并需要特別關(guān)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