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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)。基于傳感到的信息,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備組成。然而,在許多現(xiàn)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(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)和設備。而用于管理這些設備的改進系統(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備設計無線局域網(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、特設和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的短距離(10m-20m)數(shù)據(jù)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(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(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。總體而言,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