《无线传感器网络在埃及精准农业中的应用》

Egyptian Informatics Journal（2013）14，221开罗大学埃及信息学杂志www.elsevier.com/locate/eijwww.sciencedirect.com原创文章使用无线传感器网络技术谢琳·MAbd El-kader，Basma M.Mohammad El-Basioni*电子研究所计算机与系统系，埃及开罗收稿日期：2012年12月13日;修订日期：2013年6月18日;接受日期：2013年2013年7月22日在线发布摘要本文概述了无线传感器网络，研究了其在精准农业中的应用，以及其对改善埃及农业的重要性。以埃及马铃薯种植为例，分析了无线传感器网络在马铃薯种植中的应用，该系统在恢复其出口损失后从出口马铃薯作物中获得的年度收益（该损失估计为20亿英镑，这是每年向俄罗斯出口马铃薯的价值），在增加产量规模的预期后果之后和质量，在预期的资源节约后，用于种植，如化肥和灌溉用水，在收回因过量使用农药造成的危害所造成的经济损失后，是可以接受的，可以说一年就可以收回这个成本结果表明，APTEEN协议是最适合精准农业的路由策略，其网络生存期可达6.5个月，超过了马铃薯作物生存期的最大值120天，但也超过了埃及马铃薯的年种植期6个月。©2013制作和主办由Elsevier B.V.代表计算机与信息学院开罗大学。1. 介绍*对应作者。地址：电子研究所计算机和系统部，33 El-TahrirSt.，El-Dokki，Giza 12622，埃及联系电话：+20 10 303 557 3;传真：+20 23 335 163 1。电 子 邮 件 地 址 ： bbasioni@yahoo.com ， bbasioni@eri.sci.eg（B.M.Mohammad El-Basioni）。开罗大学计算机和信息系负责同行审查。制作和主办：Elsevier虽然众所周知，埃及最初是一个农业国家，自法老时代以来，埃及人民以土地和农业为荣，但埃及承受着许多关于农业的问题和面临许多重要作物生产规模和质量的危机，导致其出口规模和自我满意度不足，威胁加剧放弃的幽灵，让农业土地寻找其他收入来源，如旅游业和建筑业。埃及的农业需要农场和农民更多的关注，最近可以进行更先进的研究。1110-8665© 2013由Elsevier B. V.代表开罗大学计算机与信息学院制作和主办。http://dx.doi.org/10.1016/j.eij.2013.06.004关键词无线传感器网络;能量感知路由协议;精准农业222S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼农业技术，更多的自动化，更多的测试和应用新的研究方法，分析和机械化。因此，本文研究了精确农业（PF）的应用，这是一种管理实践，通过传感和通信技术利用更精确的农业资源信息，有可能增加利润，在埃及，一般以马铃薯作物为例，研究一个可能的PF解决方案，使用无线传感器网络（WSN）技术。本文的其余部分组织如下：第2节定义了WSN和PF，第3节给出了一些PF的实际实施示例，第4节讨论了PF在埃及的应用，第5节概述了埃及的马铃薯作物，第6节介绍了埃及的马铃薯作物种植，第7节为埃及的马铃薯作物种植制定了WSN精准农业解决方案，最后第8节给出了结论和未来的工作。2. 精准农业和无线传感器网络概述精准农业是指通过自动化数据收集、记录及利用有关信息，并透过传感及通讯技术作出策略性农场管理决策，以处理田地内生产力的变化，并最大化财务回报、减少浪费及尽量减少对环境的影响。PF中使用了几种技术，如遥感（RS）[1，2]，全球定位系统（GPS）[3]和地理信息系统（GIS）[4]。PF中最重要的步骤是生成具有其特征的土壤图。这些措施包括网格土壤采样，产量监测和作物侦察。遥感与全球定位系统坐标相结合，产生了精确的农田地图和模型。采样通常通过电子传感器进行，如土壤探测器和卫星远程光学扫描仪。以电子计算机数据库的形式收集这些数据，就产生了地理信息系统。然后对这些数据进行统计分析，并绘制了农业用地性质的变化图。这些技术除了是非实时的之外，还涉及使用昂贵的技术，如卫星传感，并且是劳动密集型的，其中绘制农田的地图大多是手工完成的[5]。无线传感器网络由大量的传感器节点组成，包括传感，处理，传输，移动器，定位系统和电源单元（其中一些组件是可选的，如移动器和定位系统），图1展示了传感器节点的组件。这些节点密集地部署在现象内部或非常靠近现象的地方，传感器节点的位置不需要设计或预先确定。传感器节点相互协调以产生关于物理环境的高质量信息。这些分散的传感器节点中的每一个都有能力收集和路由数据[7基站可能能够将传感器网络连接到现有的通信基础设施或互联网，用户可以访问报告的数据[10]。由于其特性和能力，WSN有几个应用[11– 可以从远程站点访问实时数据并对其进行分析和实时反应。– 闭环控制能力（自动化）。– 覆盖面积大，时空分辨率高。– 提高准确性。– 现象可以被不显眼地观察到。– 不利的天气条件不会影响研究人员的工作。– 传感器节点体积小，重量轻，不需要布线，这意味着它们易于安装在大多数位置和应用中。– 可用于监测环境，如火灾和冰川的爆发，以及崎岖的地形，恶劣和难以到达的地方。– 可以让多个用户同时查看数据，并对其进行操作。– 对不同场景的适应性和传感器节点可以在现场重新分配任务（重新配置）。– 从远程站点执行数据收集所需的人员更少。– 相 对 便 宜 ， 有 人 建 议 ， 通 过 使 用 商 业 上 可 用 的WSN[15]，总系统成本（材料和安装劳动力）可以减少80%以上。– 在所需环境中轻松、快速地部署– 简单易用。– 友好的GUI。– 多才多艺。– 低维护。无线传感器网络越来越多地被科学界认为是环境监测的未来：以低成本提供以以前无法想象的空间和时间分辨率收集和处理各种数据的可能性，这些网络被视为无处不在的计算革命的关键要素[16]。因此，在PF应用中使用WSN将彻底改变农业领域的数据收集，支持所寻求的高度自动化的农业系统，该系统需要对地面的环境条件进行密集感测，并将原始数据快速传输到本地或远程服务器，在本地或远程服务器中，计算和存储能力的可用性，作物中害虫的识别，干旱或湿度增加，决策制定，并且农场设备的控制是实时完成的（自动驱动装置，如喷洒器、喷雾器、阀控灌溉系统等，可用于控制灌溉、施肥和害虫控制，以抵消形成无线传感器和驱动器网络（WSAN）的不利条件）。如文献所述，WSN在PF应用中具有优于RS的优势：– 降低了可行PF框架的部署和运行成本。– 传感和通信现在可以在实时的基础上完成，从而提高了响应时间。使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案223动力单元处理单元通信单元至/自其他节点定位系统（可选）天线收发器存储器MCU机车单元（可选）ADC传感器ADC传感器从环境传感单元编号n1号传感器图1传感器节点的组件[6]。– 适用于恶劣环境中的分布式数据收集和监控。– 能够以经济的方式控制气候、灌溉和养分供应，以生产最佳作物条件，提高生产效率，同时降低成本，并提供实时信息。– 比卫星提供更好的空间和时间可变性– 允许收集不同于卫星收集的其他土壤和植物数据，如温度，湿度，pH值和土壤电导率。– 能够形成高度自动化的农业体系。– 分辨率更好– 能够长时间观察作物状态。– 分析信息存储，以创建田间作物的案例记录。– 友好的图形用户界面（GUI）与监控系统。– 对新的作物种植方法和技术进行准确评估的潜力。– 具有高采样密度的大面积监测潜力。3. 精准农业的真正实现Lofar Agro[17]是一个项目，涉及在马铃薯田中对抗一种名为phytophtora的真菌疾病;该项目的开发农作物的生长和相关的侵袭在很大程度上取决于田间的气候条件;温度、相对湿度、光度、气压、降水、风力和风向以及地下水位高度是本项目中感测的环境参数;WSN数据和统计数据发送到田间网关，然后发送到Lofar网关（一个简单的个人电脑数据记录）通过WiFi连接，然后通过有线连接，他们发送到互联网上的Lofar服务器和其他几个服务器下的XML格式。AGRO-SENSE [5]介绍了一种无线网状网络，由放置在农田不同位置的传感器组成，其中土壤或大气的预期特性（土壤pH值、土壤湿度、电导率、土壤温度），基于传感器提供的读数进行致动，一旦超过阈值，系统将在控制台上生成自动警报消息，在此基础上可以采取适当行动。在[18]中，对马来西亚水稻种植监测应用的WSN开发进行了初步设计标准测量参数传感器，如环境空气温度和湿度，土壤pH值和湿度集成在所有的节点，有两个方向的数据将去，这是第一个连接到服务器的数据为基础的系统被记录和显示在互联网网页和实时报警系统使用短信系统通过GSM调制解调器负责人的手机。在[19]中，一个基于电池DC-DC224S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼Zigbee[20]和互联网被提出用于自动监测田间环境因素，并将测量数据动态传输给农民或研究人员;网络采集单元的主体部分主要包括空气和土壤中的温度和湿度、CO2和光照传感器。4. 埃及的精准农业为埃及农业设计一个PF解决方案需要执行一些前面的重要步骤。系统的设计需要对构建系统所使用的技术进行全面的研究和分析，这就是WSN，它需要研究埃及农业的一般条件及其挑战。此外，该系统的应用和评估需要根据其重要性和对国民收入的影响，并根据是否存在问题削弱其生产并导致其他问题，如缺乏自给自足，收获后的损失，农民的经济损失，并禁止其出口，这给国家造成了巨大的经济损失。应详细研究和分析选定的作物，考虑到它所经历的所有农业过程，从耕作、耕作、灌溉、收获和储存，以及方法和工具所涵盖的内容，它过去、现在和预期的问题以及克服这些问题的建议方法（如果有的话）。埃及经济严重依赖农业部门提供食品、饲料、纤维和其他产品。它为大约55%的人提供生计，雇用了30%的劳动力，贡献了大约17%的国内生产总值和20%的外汇收入。1997年，动物蛋白的记录份额约为21克/天，计划到2017年增加到人均24克，而粮食及农业组织（粮农组织）建议的最低份额约为30克/天/人[21]。由于缺乏可持续管理，埃及有大面积的不良牧场，估计超过1000万ha[22]，除北部沿海狭长地带外，无有效降雨。因此，埃及只有一个主要的供水来源，尼罗河。阿斯旺高坝的可靠供水由与尼罗河流域国家的水资源共享条约管理，根据该条约，每年向埃及分配555亿立方米。可用水资源总量估计为73.8每年10亿立方米。总用水量约为626亿m3.农业根据2030年可持续农业发展战略[21]，人均淡水量预计将从2008年的711.0 m3下降到2030年的550m32006年记录的可耕地份额约为每个居民504平方米[22]。通过更有效的农场水资源管理实践、种植模式向耗水量更少的作物转变，对水资源进行适当的管理，可以提高水资源的可用性和效率。一般来说，埃及农业生产和实现粮食安全所面临的问题可以概括如下：第一，与气候因素有关的问题，这些问题是危险的迹象，因为温度的降低或海拔高度会影响植物酶的活性，从而影响费丹的生产力，第二，与陆地因素有关的问题，这些陆地因素以土壤及其物理和化学性质为代表，直接影响每一个费丹的生产力，第三，与室内可能引起气候变化的人为因素有关的问题，包括不负责任的行为，例如由工业引起的无限热排放，没有很好地利用农业咨询，农民不知道处理作物的最佳方法和现代农业方法，第四类和最后一类问题与可能吞噬整个作物的疾病和害虫有关。虽然基因工程和生物技术在解决这些问题中发挥了重要作用，但利用现代技术的创新解决方案非常重要，追赶发达国家也是合乎逻辑和必要的。有效管理埃及远程用户本地用户水槽储存互联网存储传感器场传感器节点图2传感器节点分散在传感器场中[6]。使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案225生产系统和庞大的灌溉和排水网络，准确和及时的作物数据的采集是必不可少的使用一个完整的PF解决方案，使用无线传感器网络技术。通过研究和分析，将具体说明这些问题中哪些与所选作物有关，并在此基础上提出如何使用无线传感器网络改善这种作物的概念和决定。5. 埃及的马铃薯作物PF土豆在四个世纪前首次被引入安第斯山脉以外的地区，并已成为世界它是世界第四大粮食作物，仅次于水稻、小麦和玉米。在埃及，这种作物是在19世纪小规模引进的。它是仅次于番茄的第二大蔬菜作物，其中约20%的蔬菜生产总面积用于种植马铃薯，埃及是非洲最大的马铃薯生产国和出口国之一[24]。埃及马铃薯的出口量在不同季节波动. 2010年，埃及公司出口28.9万吨，而2011年，出口量上升到46.1万吨。2011年的主要出口目的地是俄罗斯、欧盟国家和海湾地区国家[24]。这种作物在经济上对埃及很重要，其生产中的任何干扰都会严重影响其本地和更重要的出口影响，也许这方面最大的例子是俄罗斯决定禁止埃及马铃薯出口的大问题，从马铃薯在埃及所有蔬菜作物中所占的重要地位，从国民收入对马铃薯生产的敏感性出发，目前面临的出口大问题，它应该是第一个选择，研究和设计一个精确的农业解决方案，以提高其生产规模和质量，并面对问题，损害其生产和出口使用无线传感器网络新兴技术。接下来的部分将讨论埃及的马铃薯作物种植以及如何使用无线传感器网络来改善它。6. 埃及马铃薯作物栽培条件和方法为了弄清楚马铃薯生产所面临的问题是什么，WSN可以解决它们，并了解指定如何建立WSN解决方案所需的信息，以下小节将解决马铃薯作物的一些重要特征[24]6.1. 土壤类型马铃薯喜欢通气良好、排水良好的壤土。土壤盐分、积水和高水平的碳酸钙对于马铃薯栽培是不期望的，因为它们负面地影响生产力和淀粉含量。无线传感器网络可用于检测农业土地对作物栽培的适宜性，确保其免受疾病和有害真菌的侵害，进行养分有效性分析，以便制定适当的施肥方案，因此，所需土壤类型的知识决定了应使用的传感模式。6.2. 种植期埃及从8月开始连续种植土豆。8月中旬至10月中旬的种植（主要种植）于12月至2月中旬收获;这约占年产量的55%，主要用于出口。从10月下旬到11月中旬的种植占年产量的10%或更少，并在2月收获，这种作物主要用于出口。12月至2月中旬的种植在5月/6月收获，大部分作物（约占年产量的35%）在当地市场销售或作为秋季种植的种子保存。栽培周期和季节对于确定网络所需的寿命以及需要人工维护网络的可能性、其预期的大小和重复次数是非常重要的。6.3. 种子切割和储存切割种子块茎是常见的，但不推荐某些品种的做法。收割种子的农民应采取措施，如进行种子处理（这是非常重要的），以防止种植材料的感染，并控制早期害虫和疾病。切下的种子需要特殊的条件，直到它们被种植，温度15-20 °C，相对湿度（RH）大于90%，以及良好的通风。无线传感器网络需要这些特殊的条件来保持它们的切走的种子。6.4. 采收方式大多数种植用于出口的马铃薯作物是机械化或半机械化的，其余的往往需要手工劳动.在这里，无线传感器网络在农业土地中的应用可以规范某种收割方法。6.5. 收获后收获的马铃薯作物需要在温度2-3 °C和RH 85-90%下储存此外，无线传感器网络可以发挥重要的作用，在提高马铃薯作物存储，保持必要的存储条件，因为他们后来描述，并沿着所需的时间。6.6. 作物阶段可以说，埃及马铃薯植物的生长期可以分为四个主要阶段：其中两个阶段之前已经提到，土地试验阶段和储存阶段，另外两个阶段即：第一阶段第二阶段226S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼图3传感器节点硬件和部署。这些阶段具有一定的特征和动态过程，并且在这两个阶段中，作物的某些部分的生长比其他部分更多，因此，每个阶段都需要对不同的参数和条件进行一定的处理和调整，例如，土壤水分平衡，太阳辐射，最低和最高相对湿度，最低和最高温度，风速和降雨量。这些特性、处理和调整的研究对于确定在作物生命周期期间用于作物建模所需的感测参数、指定网络协议和不同协议设置、设计用户应用以及确定合适的节点部署（例如，农作物叶子的长度影响无线信号传播，无线信号传播在室内影响传感器节点的传输范围，并相应地影响它们的位置和距离。马铃薯作物模型可以作为农户进行灌溉调度、施肥调度和其他栽培措施调度的决策工具，有助于提高马铃薯作物产量和节约灌溉水和肥料等资源，这种建模可以通过在农田中部署传感器节点来有效和容易地完成，传感器节点感测所需的参数并实时发送给用户，分析这些数据，绘制一幅完整准确的油田特征图，并在适当的时间做出适当的决定。通过这一点，我们也可以克服埃及马铃薯改良的关键障碍，这是主要由马铃薯害虫和病原体引起的产量和块茎质量的降低，在其季节性种植期间（夏季，Nili和秋季），马铃薯植物受到许多病原体和昆虫害虫的影响，这导致埃及马铃薯产量和质量的相当大的损失。这种病原体和昆虫这些问题包括真菌病原体（及其疾病）：茄链格孢（早疫病）和致病疫霉（晚疫病）;细菌病原体：青枯雷尔氏菌/假单胞菌（褐腐病或细菌性枯萎病）、胡萝卜软腐欧文氏菌（Erwiniacarotovorasubsp.）atroseptica（黑腿和腐烂欧文 氏 菌 ） 、 Clavibacter michiganensesubsp. sepedonicum（环腐病）和疥疮链霉菌（Streptomycesscabies）（常见的scob）;线虫病，特别是由南方根结线虫（Meloidogyneincognita）引起的那些;病毒病：斑驳或潜伏病毒（Marmordubium var.环）、轻度花叶（Marmor solani）和昆虫如Gryllotalpagryllotalpa 、 Agrotisipselon 、 Pentodonlispinosus、Bemisia tabaci和Liromyza beglium[25]。防止这些病原体和害虫出现的条件或早期检测它们可以通过WSN有效地完成关于所有这些阶段的详细描述的讨论延长了，因此它超出了本文的范围7. 所提出的解决方案本节描述了用于推导建议解决方案的网络示例，包括节点部署、节点数量确定和路由协议。该网络在作物出现在地面上之前和之后的两个阶段（第1阶段和第2阶段）监测作物。7.1. 提出的传感方式和节点硬件传感器节点将包含温度、湿度、光照强度、土壤pH值和土壤湿度传感器。这些感测模态以硬件的变化形式存在于市场中，例如，诸如MTS 400的一个传感器板包含传感器使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案22739.7米13.2米13.2米105.8米传感器节点图4一个feddan马铃薯田的样本对于温度、相对湿度、光强度以及大气压力（该板在图3a中示出），也可以将不同类型的传感器连接到不同的数据采集板上，例如MDA300（在图3b中示出），该数据采集板除了机载温度和湿度传感器之外还可以连接土壤湿度传感器。这些传感器和数据采集板与处理器/无线电平台MICA 2和MICAz兼容（如图3c所示）。将处理器/无线电平台附接到传感器或数据采集板形成传感器节点，该传感器节点将在被合适的外壳覆盖后部署在现场。图3d表示传感器节点在其最终形式中在现场部署之后的图片。7.2. 拟议的节点部署在埃及种植马铃薯的常见方法是将田地分成大面积的盆，每个盆代表1这个部门将是用于均匀分布传感器节点，并用于节点定位。假设该领域将被分为桶每一克拉面积。每克拉将包含两个节点分布在它与大约6米的分离和一个节点放在它的每一个边缘（边缘附近）与另一克拉共享。节点的严格特定位置的非识别简化了其部署。每个Feddan中节点的数量和位置适合于容错性，也适合于覆盖率和连通性，这也是通过选择节点之间的间隔等于大约6米来实现的，因为根据[26]的发现，该间隔表示合适的距离，其中根据在马铃薯田中进行的大量测量得出结论，其中树叶对无线电波的传播具有重要影响，精确农业应用的节点之间的距离应最多为10米，因为必须在整个生长季节期间感测微气候。SCWCWFWFWW228S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼自定义用户应用程序应用基站应用网络MICA2无线电堆栈Mac物理传感器节点参考模型图6时间与平均值能耗回避方案。网络层包含路由协议，该协议将从现有路由中选择图5建议的解决方案的体系结构7.3. 确定传感器节点的数量为了根据前一节中描述的节点部署的建议方案计算给定作物田所需的传感器节点的数量，方程：（1）可以用来近似：协议的无线传感器网络的特点适合PF应用程序。应用层涉及以特定速率读取感测值的命令，并请求下层也以特定速率或特殊事件发送感测值。所提出的解决方案的整体架构通过使具有先前所述架构的多个分散的传感器节点无线通信来形成，连接到本地或远程用户应用的基站，其接收网络数据并适当地处理它。N<$N×2½f-1N-f×。1×1N-f×。1-1×2]1其中，Ns是传感器节点的数量，Nc是克拉的数量，并且fw是以克拉为单位的场宽度图4所示为一个相当于一个费丹的土地样本，这个费丹被分成24个一克拉的桶。传感器节点根据所使用的节点部署分布在土地样本上，因此，从等式2可以看出，（1），可以得出结论，每个feddan将需要大约85个节点。7.4. 建议的解决方案所提出的解决方案的架构从描述传感器节点架构开始。传感器节点硬件架构已在第7.1节中描述;因此，本节将讨论传感器节点的软件架构。传感器节点的参考模型如图5所示;物理层由收发器MICA 2 mote中使用的ChipCon型号CC1000单芯片射频的无线电堆栈实现。节点的软件栈将由MAC层、网络层、应用层和其他管理服务组成，节点将由MICA2支持的操作系统TinyOS驱动。MAC层也在CC 1000协议栈中实现，通过基于争用的从技术的角度来看，大多数可伸缩的分层结构-化学路由协议[27周期性地从其环境或响应特定查询。因此，需要网络立即响应感知属性的变化。无线传感器网络还应该为最终用户提供动态监测和控制能量效率、准确性和响应时间之间的权衡的能力。PF和其他一些应用程序需要一个全面的、易于使用的查询系统，以便以最小的延迟获得可靠和准确的答案。由于所有这些特征都可以由周期性阈值敏感的能量效率传感器网络（APTEEN）[27]路由策略提供，因此可以得出结论，它是最适合PF的路由思想。APTEEN是一种分层的基于簇的路由协议，其中节点被分组为簇;每个簇具有成员节点和一个负责接收、聚合和传输其簇成员的数据的头节点。在APTEEN中，簇头广播以下参数：属性（A）：是用户有兴趣获得信息的一 组 物 理 参数 。● 门限：由阻止传输的硬门限（HT）和阻止后续传输的软门限（ST）组成。管理和控制平面●C7.5. 提出最合适的路由协议使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案229开始确定合适的集群结构并将其发送到节点调度：是一种时分多址（TDMA）调度，它为每个节点分配一个时隙进行传输。计数时间（T C）：是节点发送的两个连续报告之间的最大时间段。适用于PF应用的APTEEN路由策略的主要特点如下：1. 它结合了主动和被动的政策。通过定期发送数据，它向用户提供了一个完整的网络图，就像一个主动的方案。它还能持续感知数据，并立即对急剧变化做出响应，从而使其能够响应时间紧迫的情况，就像反应网络一样。2. 通过使用TDMA调度进行传输，使节点能够休眠并防止集群成员之间的冲突，从而节省能量。3. 节能作为节点的感觉，不断的环境，只有在硬阈值条件满足传输4. 能量消耗可以通过改变计数时间以及阈值来控制。5. 该协议的集中式性质使得基站形成最优的分簇，并且能够指定固定数量的节点作为簇头，而有时可能不满足百分比。6. 支持查询处理机制。7. 响应延迟小，因为基站可以被放置在网络部署区域附近，网络的结构可以被限制为一级分簇，其仅涉及到达宿的两跳，这可以补偿由于使用TDMA调度而导致的延迟。此外，PF是容忍合理延迟的应用之一。7.6. 建议解决方案所提出的解决方案的性能关系到系统的操作成本和网络特性。运营成本将在第7.8节中讨论。网络特性包括连通性、延迟、生命周期、覆盖、容错、可伸缩性、可靠性和通信成本。该方法采用均匀分布传感器节点的区域划分方法，保证每个区域都有合适且数量相等的节点覆盖，从而实现了区域的全覆盖。通过节点间距小于10 m的部署，保证了传感器之间的连通性，以消除植物对无线电波传播的影响;通过在每个区域部署冗余节点，保证了系统的通过使用由APTEEN策略实现的基于聚类的分层网络架构，可以实现大字段的可扩展性。关于AP-TEEN网络在寿命和能量耗散方面的性能，它优于两种流行的分层路由协议低能量自适应聚类层次（LEACH）[31]和低能量自适应聚类层次集中式（LEACH-C）[32]。APTEEN的最后一个节点管芯寿命比LEACH平均长79%，比LEACH-C平均长112%。根据APTEEN文件中的平均能量耗散曲线，通过将时间置于垂直轴，将能量置于水平轴，并拟合APTEEN和LEACH曲线的线性方程：TA¼1807： 7×EA- 2519：8 × 2毫米图7土豆田的无线传感器网络图8基站程序。●等待集群形成等待簇周期如有需要，向社区办事处发送接收传感器数据向CH发送初始查询重新群集网络●230S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼表1马 铃 薯 作 物 精 准 农 业 A P T E E N 协 议 参数值。属性阈值上午（M）/晚上（N）作物生长TCHTST温度>25°C<摄氏15>18°C<摄氏15>40°C<摄氏10<23 ℃和>20 ℃3°C3°C3°C3°C3°C3°C–MMN第1阶段（约6周）第2级1和2TDMA调度长度光强度<800 fc10 fcN和M级1和20.5天>100 fc和150 fc–相对湿度>85%百分之五N和M级1和2TDMA的倍数调度长度pH值<5–N和M级1和22周>6–土壤水分––N或M级1和22周TL¼858： 6×EL- 1150： 9× 3毫米其中，TA和EA分别是APTEEN的时间（单位：秒）和平均能量耗散（单位：焦耳）， TL和EL 分 别是时间（单位：秒），LEACH的平均能量耗散（单位：焦耳）。从等式（2）可以推断，在APTEEN网络中，对于由AA碱性电池供电的传感器节点，其能量存储量为9360 J，第一个节点由于能量耗尽而死亡的寿命约为6.5个月，这比埃及马铃薯作物的寿命（4个月）长得多，但它大于其每年种植的整个周期。与此同时，从Eq。（3），可以发现LEACH可能达到的寿命约为3个月，这小于APTEEN达到的寿命，更重要的是，它不足以满足埃及农作物的寿命。图6示出了对于APTEEN和LEACH消耗一定量的节点能量所期望的持续时间由于网络是集中式的，系统的通信开销取决于传感器与其对应的簇头之间的通信距离、簇头的数目、成员节点的数目以及簇头的选择通过在APTEEN中引入紧急数据或高优先级数据的概念，节点可以在自己的时隙内发送紧急数据以避免冲突，或者在时隙较远的情况下使用CSMA/CA，并且其簇头不等待收集其他节点的数据，而是直接将其发送到基站，从而提高了节点的性能。 减少了紧急数据的延迟的端到端延迟非紧急数据计算如下：E-到-E延迟1/4T节点-CH_T最后节点-CH_TCH-BS_T其中，T节点-从节点到其簇头的CH一跳延迟，T最后节点-从分组传输完成到簇头接收调度中最后节点的分组的 时 间 的 CH延迟，TCH_BS，从簇头到基站的一跳延迟。单跳延迟/传输延迟传播延迟APTEEN方案的主要限制是实现阈值函数、计数时间和节点处的查询处理所需的额外复杂性。然而，对于PF应用，这是一个合理的权衡，并引入了额外的灵活性，多功能性和节能。7.7. 拟议解决方案的一种可能情况用户应用程序将模拟场及其桶，并递归地为每个桶指定一个特定的数字，如图7所示，然后根据所使用的方程确定所需的节点数量。（1）并根据7.2节中提出的节点部署方法模拟其在现场的分布。从这个模拟中，用户确定每个桶所需的节点数量，然后通过用它们的桶号对它们进行编程来辨别将在每个桶中部署的节点组组中的每个节点将具有不同于其组成员和其他组的成员的ID，桶号将被标记在每个节点的壳体上，并且节点ID也被标记。这些桶号和每个桶的相应节点ID将记录在应用程序中。工作者的任务是根据绑定到所使用的部署方法上标记的tub编号部署节点，tub 1节点放入tub 1中，依此类推，告诉他们从哪里开始计数tub以及如何进行计数。在部署之后，基站确定节点然后，节点开始检测介质，并将所需的周期性信息发送到它们的簇头，簇头将其发送到基站，在那里它被处理，存储在数据库中，绘制在图形中，并在某些条件下发出警报在一天早上，桶5、6、11和12中的节点感测到温度等于30 °C，它们将此报告给基站，并且应用通知农民最好在这个地方制作仙人掌以将温度降低到合适的值。在另一个时期，桶15中的两个节点报告温度为约25 °C并且pH值大于6（约6.5），该申请还使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案231开始等待初始查询等待我的簇头消息如果不我是一个集群是的头等待成员数据等待一帧时间，聚合接收到的数据没是如果紧没的时间是早上是的，确定早晨的HT，ST没是的如果此属性在如果感知属性的值满足HT条件没是如果满足ST条件如果此属性仅发送没没没是是如果传递确定夜间HT和ST感知温度、光照强度、相对湿度、pH值和土壤水分接收成员数据学习我的槽时间并使用消息原语接收簇头消息发送集群成员的查询和计划接收初始查询接收群集信息。找到我的专用插槽并将值发送到群集头发送至所述基站的图9传感器节点程序。在数据库中发现土壤湿度高，则通知农民立即前往该地点，因为这些条件适合褐腐病的存在并告诉他，根据记录的土壤类型，每100平方英尺应施用多少硫，以将土壤pH值降低到5.5。本案中的农民232S.M. Abd El-kader，B.M.穆罕默德·巴西奥尼如果发现部分作物已经被腐烂病感染，那么他可以迅速采取适当的反应来防止腐烂病的传播，因为它在大约36-48小时内传播从上述网络收集的数据存储在本地用户处，其还可以转发到远程互联网或蜂窝用户，例如，如图7所示，以允许农业工程师跟踪农民活动并指导他们，并且还对作物建模以改进当前和未来的农业活动。基站和节点所采取的过程在图1和图2中的流程图中示出。 8和9。7.8. 预期结果值得注意的是，无线传感器市场在过去十年中稳步增长。2004年，已售出50万个无线传感器网络，2006年这一数字增加到1000万个。以美元计算，无线产品的出货量从2003年到2006年增长了三倍。图10，dem-2.521.510.50年图11无线传感器网络市场说明了从2002年到2008年销售的无线传感器的数量，然后预测了2009年和2010年这些数字的增长。根据IDTechEx在新报告《无线传感器网络2011- 2021》中的研究2019年17.5亿美元，2021年20亿美元，如图所示。 十一岁英特尔的研究人员预计，芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番，从而带来更多功能，提高性能，降低每个晶体管的成本和批量生产，因此，节点的价格可能会下降到更低。在未来的几年里，每个人的收入超过5美元埃及马铃薯的耕地目前每年达到约16万费丹。假设如刚才提到的那样，一个传感器节点的成本大约为5美元，那么通过增加基站的成本，我们需要大约4.08亿埃及镑来为马铃薯每年的耕地配备传感器节点，的总成本可以4.17亿和60万埃及镑这种成本与每年出口马铃薯作物的收益有关，在补偿出口损失之后，在增加产量和质量的预期后果之后，在预期节省种植所用资源（如肥料和灌溉水）之后，以及在补偿因以下原因造成的损害造成的货币损失之后，600500400300200100020022003200420052006200720082009 2010年图10售出的无线传感器数量。过度使用农药，是可以接受的;可以说，这据了解，俄罗斯8. 结论和今后的工作阐述了无线传感器网络在精准农业领域应用的重要性。此外，本文揭示了埃及的农业，以及如何使用无线传感器网络的农业自动化将有助于解决许多埃及农业问题，提高农作物。选择最重要的作物的一个例子，这是马铃薯作物，研究使用无线传感器网络在埃及的精确农业。无线传感器网络可用于测试土地，以评估其是否适合马铃薯种植，并确保旧用地和新土地的复垦没有病害和有害真菌，提高马铃薯种薯和作物的储存量，模拟马铃薯作物，作为农民进行灌溉计划和施肥计划以及其他种植措施计划的决策工具，有助于提高马铃薯产量和节约资源，预防或早期发现有害病害。提出了马铃薯作物无线传感器网络系统的主要环节，包括传感参数和节点硬件、节点部署和数量确定以及最佳路由策略。结果表明，该系统的成本相对于每年从出口马铃薯作物中获得的收益，在弥补由于褐腐病而造成的出口损失（该损失估计为20亿英镑，这是每年向俄罗斯出口马铃薯的价值）之后，在增加产量和质量的预期后果之后，在收回因过量使用农药造成的危害所造成的经济损失后，是可以接受的，可以说一年就可以收回这笔费用。结果表明，APTEEN协议是最适合于精准农业的路由策略，其网络生存期可达6.5个月，是埃及马铃薯作物生育期较适宜的时期。无线传感器网络的市场价值（10亿美元）售出的无线传感器数量（百万）使用无线传感器网络技术的埃及精准农业解决方案233未来的工作计划是加强APTEEN策略，使其更适合马铃薯作物监测的不同场景，研究无线传感器网络在作物储存和土地测试阶段的应用，并最终将系统应用于实际。引用[1] 翁Q。环境遥感进展：传感器、算法与应用（遥感应用系列）。CRC Press Taylor Francis Group; 2011.&[2] 地球系统科学委员会关于人类福祉的决策：遥感的贡献，土地遥感对粮食安全和人类健康决策的贡献，讲习班报告。华盛顿：国家科学院出版社，2007年。[3] 徐克全球定位系统：理论，算法和应用。第2版，柏林海德堡：Springer-Verlag; 2007年。[4] 放 大 图 片 作 者 ： Michael D. 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