传感云在精准农业上的应用与展望

摘要 无线传感器网络作为农业物联网的底层支撑技术，大量无线传感器被部署于各类精准农业领域中，不但增强了人们获取各类信息的能力，还实现了信息与物理世界的互通。但无线传感网络也存在着诸多问题，这时随之兴起的云计算技术不但催生了新的应用和服务，同时也加强了传感器网络在数据存储和处理等方面的能力，有效促进了农业的发展。通过结合云计算与传感器网络，催生了传感云系统。面向传感云技术，结合云计算强大的虚拟化技术，对其在精准农业领域的应用进行深入的探索与研究。

关键词 云计算；传感云；无线传感器网络；精准农业；应用与发展

中图分类号 S 127  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2023）16-0221-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.16.051

Application and Prospect of Sensor Cloud in Precision Agriculture

CUI Yu，LUO Jing-jing，LI Huai-sheng et al

（Institute of Agricultural Science of the Ninth Division of Xinjiang Production and Construction Corps （Institute of Animal Science），Tacheng，Xinjiang 834601）

Abstract Wireless sensor network is the underlying supporting technology of agricultural internet of things.A large number of wireless sensors are deployed in various precision agriculture fields，which not only enhance people’s ability to obtain various kinds of information，but also realize the communication between information and the physical world.However，there are also many problems in wireless sensor networks.At this time，the rising cloud computing technology not only creates new applications and services，but also strengthens the capability of sensor networks in data storage and processing，which effectively promotes the development of agriculture.Through the combination of cloud computing and sensor network，the sensor cloud system is born.In this research，the sensor cloud technology and the powerful virtualization technology of cloud computing were combined to conduct in-depth exploration and research on its application in the field of precision agriculture.

Key words Cloud computing;Sensor cloud;Wireless sensor network;Precision agriculture;Application and development

基金项目 兵团第九师科技项目（2022JS001，2021JS004）；国家自然科学基金项目（61962053）；石河子大学高层次人才科研启动资金项目（RCZK2018C39）。

作者简介 崔瑜（1970—），女，北京人，高级农艺师，从事作物高产高效栽培研究。 通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事电气自动及大数据研究。

收稿日期 2022-08-30；修回日期 2022-11-02

随着科学技术的不断发展，无线传感器网络开始应用于农业的方方面面［1］，如管理农田灌溉［2-4］、检测温室大棚气体［5-6］以及监测农田作物生长情况等［7-8］，被用于解决精准农业［9］发展过程中遇到的一些实际问题。无线传感器网络在促进当代农业发展的同时，由于自身成本低和体积小等问题，在农业应用中的弊端也不断突显出来。近年来，云计算的发展越来越受关注，它不仅具有成本低、虚拟化和可扩展的特点，还能为用户提供大量的计算存储以及软件服务等。当把云计算和无线传感器网络相结合后，在精准农业上可以作为一个新的研究方向和领域。Brown等［10-11］定义传感云为将云计算与无线传感器网络结合在一起的远程管理服务平台，构建了一种传感器即服务的概念。传感云应用的工作模式主要为：底层物理传感器收集到农业相关信息后，发送至网关节点，虚拟传感器负责向用户提供关键信息，最后云端处理复杂的任务。该模式不仅提高了农业生产成本的效益，还提高了数据处理的准确率。凭借传感云框架高成本的效益以及低维护的需求，在农业应用中发挥巨大的优势。虽然越来越多的研究学者开始关注传感云，但是关于这方面的农业应用研究还是不多。我国是农业大国，目前很多农业生产活动还主要依靠人力进行，利用传感云技术，再结合当下广泛普及的机器学习、物联网技术、大数据和云计算等技术，对当代农业的发展以及未来精准农业的前瞻性研究都有着重大的意义。鉴于此，笔者面向传感云技术，结合云计算强大的虚拟化技术，对其在精准农业领域的应用进行深入探索与研究。

1 传感云的基本概念

1.1 传感云定义

关于传感云的定义，不同的研究学者给出了不同的看法。Kurschl等［12］将其定义为：将云计算与无线传感网络结合并构建模型后，在数据存储和处理能力方面，与传统的无线传感网比较，有巨大的优势；Madria等［13］将其定义为：在传感网络顶端上，许多不同的虚拟节点组成了传感云并实时为用户提供按需服务功能；研究人员定义传感云为：结合不同的网络以及传感应用，与云端相结合，为传感网络提供远程的上网、检测和监控等服务；此外，文献还提到，不同的物理节点被传感云虚拟化为传感节点，从而自动响应用户的服务请求［14］。总结来说，传感云综合了云计算和无线传感网的优点，继承了云计算的运作模式。用户可以不用考虑自身的位置和一些规范实时使用传感器，也不用考虑传感器之间的兼容性问题，同一个基础设施可以被不同的用户和组织共享，按需管理使用传感节点的资源并在云端上实现对传感节点的操控。

1.2 传感云体系架构 曾建电等［15］提出，传感云的体系架构如图1所示，自下而上分别为物理节点层、虚拟节点层和用户层。物理节点层中的传感器节点有各自相应的控制和数据收集机制，每个传感器节点在不同的应用中发挥着不同的功能；虚拟节点和云端组成了虚拟节点层，主要任务用来处理云端的资源以及调度管理物理节点，终端用户不需要考虑传感节点的具体位置，云端除了为用户提供存储服务以外，还能在紧急情况下对用户做出及时响应。当一些用户向传感云提出请求服务时，用户层就会向用户提供一些不同网络、不同终端或不同操作的远程需求服务操作，用户就可以直接访问传感云上的资源。

2 基于传感云的精准农业系统架构

同传感云架构一样，精准农业传感云系统框架也为3层，主要由用户层、中间层和物理层组成，如图2所示。农民、传感器所有者或设备所有者组成了用户层，不同的用户根据不同的注册方式其使用权限也不相同。当用户以服务使用者的身份进行注册时，只能使用相关仪器设备和数据服务而不能对设备的相关信息进行更改；当用户以传感器或设备提供者进行注册时，可以对底层的一些设备进行维护和管理。通常来讲，通过网页浏览器或者手机软件就能使用户登录云平台系统，最后按需选择自己要进行的服务平台。通过农业传感云平台，用户可以实时对田间作物的生长情况进行监测，基于用户层提供的不同标准化接口，可以使用户自由请求相关数据服务，制定决策后数据会以图表的形式提供给用户，用户就可以直接观察监控区域的环境变化情况。每个人的账户、权限、传感器和农业设备等信息都被储存于中间层中，提供给用户不同的服务由不同的虚拟传感器组成，通过创建虚拟传感器来共享底层的传感器服务，结合虚拟化技术，不但为服务提供商保障了利益，同时也降低了农户的使用成本。相较于一般的传感云系统，农业传感云有着极为独特的地方，即不同的农业传感器和设备分布于物理层中，相应的设备可以执行用户所作的决策，而一般的传感云系统仅为用户提供传感器数据信息。在物理层上，中继节点是网关，每个传感器节点都将通过ZigBee网络节点发送至网关，最后数据通过4G或5G网络发送至云平台。

3 农业传感云的应用领域

3.1 基于传感云的农田灌溉管理

由图3可知，将土壤湿度传感器放置于土壤中来检测土壤的湿度信息，传感云平台接收通过网关采集到的湿度数据信息。在基于传感云的系统框架下，相应的服务商会提供对应的设备，用户可以在相关网站上按需选择服务，这样就可以随时随地对农田土壤的墒情进行观察并制定出适合于该天气的灌溉措施。

3.2 基于传感云的农田害虫监测 由图4可知，在传感云框架背景下实现对害虫监测的具体过程为：底层的无线网络传感器对农作物进行拍照，用相应的算法对图像进行处理后，传感云平台接收发送过来的图像和数据并进行处理，通过终端显示器，用户可以实时掌握已经处理好的信息，对信息进行整理和分析后，根据作物的生长状态来判断是否需要喷洒农药。这主要是通过部署在相应区域的无人机来执行喷洒农药的任务，当得到用户请求后，无人机会自动飞行至指定的区域执行任务，此外无人机还能起到森林防火的作用。

4 农业传感云的发展优势

与传统的基于无线传感器网络的精准农业体系相比，传感云技术发挥着更大的优势，即具有可扩展性、简单性、低成本、服务时间长以及资源数据共享等优点，具体分析如图4。

4.1 可扩展性

云计算的架构不但强大而且复杂，在传感云系统框架下，传统的传感器网络可以扩展为一个巨大的规模。服务提供商会随着用户对底层资源需求的增加而相应扩展云计算供应商提供的额外服务，这样用户就不用为这些额外的硬件资源付出大量的成本。

4.2 简易性

传感云为用户终端提供了一系列标准化的接口，农民使用者可以直接通过手机或电脑实时获取农田信息，降低了系统的复杂程度。另一方面，用户还可以通过传感器收集到的各种数据和视频流，也可以通过人工控制设备来进行大棚的管理。传感器采集到的数据由采集器收集，通过无线或者有线传输的方式，将数据传输到后台，用户可以看到大棚内的实时数据。该系统汇集了各种农业数据，具有专家的实时指导功能，旨在帮助农民提高生产效率，增加产量，做出正确的生产决策，从而提高农民的收入水平。

4.3 低成本 与传统的无线传感网相比，农民用户可以不用承担基础设施的部署与维护工作，相应的组织和供应商会提供基础设施，农户只需按照自身情况选择相应的服务订阅。同时，随着新网络技术的广泛应用，可以方便地将现有网络升级到新的技术标准，并保持原有技术的兼容性。目前，人力资源成本越来越高，智慧农业已成为现代农业发展的必然趋势，而利用无线传感器节点构建的网络是智慧农业获取信息的主要途径。通过信息技术与现代农业的优化，可以为农民提供信息技术的便利，促进农业技术的有效推广。信息化、因特网和物联网在现代农业发展中将发挥极其重要的作用，也必将给农业技术服务的推广模式带来最大的变革。