农业物联网的大棚技术

农业物联网本来就是针对大规模的作物种植的，我知道托普农业物联网可以针对采集温室内的空气温湿度、土壤水分、土壤温度、二氧化碳、光照强度等实时环境数据，通过中继节点传输到控制中心，由中心平台系统将最新监测数据与预先设定适合农作物生长的环境参数与进行比较，做到节省人力物力的效果。。。。

物联网的关键技术有低功耗广域网（LPWAN）、蜂窝移动（3G/4G/5G）、Zigbee和其他网状协议等。

一、低功耗广域网（LPWAN）

低功耗广域网是物联网中的新现象。该系列技术通过使用小型的、廉价的电池提供长达数年的远程通信服务，旨在支持遍布工业、商业和校园的大规模物联网应用。

低功耗广域网几乎可以连接所有类型的物联网传感器，促进了从远程监控、智能计量和工人安全到建筑物控制和设施管理的众多应用。尽管如此，低功耗广域网只能以低速率发送小块数据，因此更适合于不需要高带宽且不具有时间敏感性的用例。

此外，同样，并非所有低功耗广域网都是一样的。如今，存在许可低功耗广域网技术（NB-IoT、LTE-M）和未经许可低功耗广域网技术（例如MIOTY、LoRa、Sigfox等）。这些技术在关键网络因素中的表现程度各不相同。

二、蜂窝移动（3G/4G/5G）

蜂窝移动网络在消费者市场中根深蒂固，提供了可靠的宽带通信，并支持各种语音呼叫和流视频应用。不利的一面是，它们会带来非常高的运营成本和电力需求。

虽然蜂窝移动网络不适用于大多数由电池供电的传感器物联网应用，但它们却非常适合特定的使用情形，例如交通和物流中的联网汽车或车队管理。此外，像车载信息娱乐系统、交通路线、高级驾驶辅助系统（ADAS）以及车队远程信息处理和跟踪服务都可以依靠无处不在的高带宽蜂窝移动网络。

具有高速和超低延迟的下一代移动网络5G将成为自动驾驶汽车和增强现实（VR）的未来。预计5G还将实现用于公共安全的实时视频监控、用于互联健康的医疗数据集的实时移动传输，以及一些对时间敏感的工业自动化应用。

三、Zigbee和其他网状协议

Zigbee是一种短距离、低功耗无线技术（IEEE 802154），通常部署在网状拓扑中，以通过在多个传感器节点上中继传感器数据来扩展覆盖范围。与低功耗广域网相比，zigbee提供了更高的数据速率，但同时由于网格配置而降低了能耗效率。

由于它们的物理距离短（《100m），Zigbee和类似的网状协议（例如Z-Wave、Thread等）最适合节点分布均匀且非常接近的中程物联网应用。通常，Zigbee是WI-FI的完美补充，适用于智能照明、暖通空调控制、安全和能源管理等各种家庭自动化应用。

您好，农业物联网节点节省能量的最主要方式主要有以下几种：
1采用低功耗的硬件设备：采用低功耗的硬件设备可以有效降低节点的能耗，从而节省能源。
2采用节能的通信协议：采用节能的通信协议，可以减少节点的通信能耗，从而节省能源。
3采用节能的软件算法：采用节能的软件算法，可以减少节点的计算能耗，从而节省能源。
4采用节能的网络拓扑：采用节能的网络拓扑，可以减少节点的网络传输能耗，从而节省能源。
5采用节能的电源管理：采用节能的电源管理，可以减少节点的电源能耗，从而节省能源。

摘　要：MANET因具有自组性、机动性及抗毁性而受到人们的高度关注。在阐述MANET的起源与发展及其工作原理的基础上，较全面详细地分析了MANET的关键技术；介绍了MANET在法军、美军通信中的应用。
关键词：MANET　关键技术　军事通信
中图分类号：TN911文献标识码：A　文章编号：1007-3973（2012）007-089-03
1 引言
MANET（Mobile Ad-hoc Network，MANET）起源于1971年美国夏威夷大学设计实现的第一个分组无线网络——ALOHA系统，在军事通信中具有广阔的应用前景。美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在1972年、1993年和1994年分别启动于分组无线网（PRNET,Packet Radio NETwork）、高残存性自适应网络SURAN和全球移动信息系统GloMo三个项目，取得丰硕的理论和应用成果，并一直持续深入研究PRNET技术。1991年成立的IEEE80211标准委员会使用术语“Ad Hoc网络”来描述这种特殊的自组织对等式多跳无线移动通信网络。1997年成立IETF MANET工作组，致力于MANET协议的标准化，加速推动了商用MANET的研发。
以局域网技术、数据分组交换技术为基础，MANET由一组带有无线收发装置的移动分组无线单元(Packet Radio Unit，PRU)组成，是一种多跳临时性移动通信网络。PRU由无线电台、天线和数字控制器组成。在MANET网络中传送的信息以分组为基本单元，每个分组包括包头和正文两部分。包头通常包括该分组在分组无线网中的源地址、目的地址和相关路由信息；正文部分则是需要传送的消息，正文部分可包含IP数据或其他数据。MANET不设中心站、采用分布式网络结构，每个节点均可作为源节点、目的节点或中继节点，且利用分组包头中的控制信息分包为每个分组选择传输合适的路由。
和依赖于固定基础设施的通信网络相比，MANET具有自身的特点和优点，近年来受到人们的广泛关注。
2 MANET的关键技术
不依赖于固定的基础设施、节点可能随时进入/离开网络、整个网络采用分布式结构运行，MANET有很多技术难点，其关键技术主要有：MAC协议、QoS保障、路由协议、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理等。
21 MANET的MAC协议
链路层解决的主要问题包括介质接入控制以及数据的传送、同步、纠错和流量控制等，分为媒介访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。MAC协议决定节点什么时候允许发送其分组，且通常控制对物理层的所有访问。
在MANET中存在隐藏终端和暴露终端问题，要在MAC层解决这两个固有问题，因而不能直接应用载波侦听多址访问（CSMA）协议（WLAN中使用最多的异步随机访问协议）。MANET的MAC协议有竞争协议、分配协议和混合协议三类。竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权并通过随机重传来解决碰撞问题，在传输载荷轻的时候碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小；但在传输载荷增大时，协议性能下降很快甚至致使网络崩溃。改进的竞争协议代表有：多址访问与碰撞回避（MACA）协议、信道获取多址访问（FAMA）协议、IEEE80211 MAC等。分配协议使用同步通信模式，时隙与节点的映射决定一个节点在其特定时隙内允许访问的信道。分配协议往往在中等到繁重传输载荷条件下运行良好，但信道时隙化导致在轻传输载荷条件下的时延相对于竞争协议是非常大的。分配协议有：五步预留协议（FPRP）、跳频预留多址访问协议（HRMA）等。混合协议能够保持所组合的各个协议的优点又能避免其缺陷，在传输载荷轻的时候表现为竞争协议的性能，而在传输载荷重的时候近似表现为分配协议的性能。典型的混合协议有：TDMA/CSMA混合协议、Meta-协议等。
22 路由协议
MANET设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路由协议。Internet路由协议不能适应MANET网络节点的移动性和网络拓扑结构不断变化，专门的适用于MANET的路由协议应能够满足功能：能感知网络拓扑的变化、维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由。IETF MANET已经完成的标准化路由协议主要有：主动式路由协议有最优化链路状态路由协议（OLSR）和基于反向路径转发的拓扑分发协议（TBRPF）；按需路由协议有按需距离矢量路由协议（AODV）和基于节点间相互关系的路由协议（ABR）；综合主动式路由思想和按需路由思想的路由协议称为混合型路由协议，有域路由协议（ZRP）和抢先式路由协议等。
分组无线网应用环境复杂多样，不同的应用环境追求不同的性能，这导致很难寻找MANET的最优路由协议。如：在军事应用中更关注系统的抗毁性、隐蔽性和保密性；而在无线会议系统中则更注重端到端的时延和吞吐量。不同类型的路由协议具有自身的优缺点，适应于不同的网络环境。不可能用一种路由算法作为标准的路由协议去比较好地解决所有MANET路由问题，路由算法的最优化石针对具体网络环境的工程化问题。混合型路由协议因其固有的灵活性，而具有很好的应用前景。
MANET的用户通常是具有协同工作关系的群体，而群组通信必须由多播路由协议提供通信支持。但有线网络环境中使用的多播路由协议(如：多播开放最短路径优先协议MOSPF等)在移动分组无线网中不再适用，因为动态的网络拓扑结构会导致分发树的破坏，而不得不因连接变化而调整。原达等提出了适用于移动分组无线网的多播路由协议。在移动分组无线网环境中，多播路由协议起着非常重要的作用。在协议中采用按需路由发现策略，动态建立路由信息及维持多播组成员关系。控制开销小、实现简单，能够适应较低带宽的大规模动态网络环境，具有稳定的分组转发成功率和良好的伸缩性，获得了较好的多播数据传输质量。

为什么会发展缓慢？主要是因为基础研究现在还无法跟上。
这个方向一直是我在跟踪和关注的，传感器开发和数据处理应该算是我的老本行。要想知道物联网究竟是什么，以及为什么发展会如此缓慢，就要了解它的技术沿革和发展历程。
物联网并不是一个很新的技术，它的本质便是上个世纪学术界开始兴起传感器网络、自组织及多跳网络（wireless sensor network, ad-hoc network, wireless multi-hop network）。RFID在智能物流上的应用只是最为基本的应用场景，当前的研究远比这个更为复杂。
随着微电子技术尤其是MEMS器件的高速发展，无线射频模块已经高度集成化、微型化且更加稳定，同时，使用传感器组网实现分布式数据采集有了现实的需求，尤其是在一些环境恶劣人工采集成本较高的场景当中（如森林、火灾场景、高压输电线、战场、太空，以及人工较难采集的情况，例如跟踪野生动物、空气检测等）。在人工检测成本较高的场景中的应用，是物联网技术发展的主要方向。
但是，回到最开始，要想实现一个分布式传感器采集网络即sensor network，看起来简单，但实际上却不是那么容易的事情。传统的无线网络如蜂窝、WLAN等等，在高速移动的情况下优化路由和带宽分配策略可以达到较好的通信质量。但是相应的方案放在传感器网络上就存在问题：
1、无线传感器网络的传感器节点往往处于不能直接供给能量的场景，也就是经常性只能使用电池或者太阳能供电，因此，传感器网络设计的重点在于保证功能完整情况下最大化地节能和增加网络的生存周期；、
2、无线模块发射距离和发射功率正相关，当通信的两节点之间的距离大于最大发射距离该怎么办？
3、当无线节点没有电怎么解决？
应该说能源供给问题是无线传感网络的研究中最核心的问题，这个领域最经典的理论都是在解决这三个基本问题。虽然现在学术界开始玩大数据，弄几个sensor，组个网采点数据，来个大数据分析看起来很高大上，但是如果这三个核心问题不解决，那么物联网这个东西就离商业化还很遥远。
回到这三个问题，第一个路由策略问题学术界已经有很多研究了，平面路由策略比如泛洪（Flooding）、SPIN、定向扩散等等。
第二个，当两个无线节点之间的通信距离太远，或者这个通信距离会消耗大量能量怎么办？为了解决这个问题，出现了多跳网络（multi-hop），以及自组织网络（ad-hoc），即，为了最大程度降低节点的无线发射距离从而减少能量消耗，节点会将数据包先发送给最近的一个节点，然后再发送给另外一个，以这种多节点中继和接力棒的方式进行通信，从而最大程度减少通信的能量消耗，这是多跳；自组织就更加复杂了，在ad-hoc里面，每一个节点既是网络节点又是路由器，每一个节点都可以当成是网关和外网通信，同时也可以转发数据包，从而使得无线传感网络在数据传输上更具有d性、能源消耗最大程度优化。但是组网和多跳策略是个挑战，如何选择最优化的路由和hop的方式是个问题。
第三个问题，节点如何供能？最先想到的应该是太阳能，但是太阳能电池板在面积有限的情况下供电能力有限。因此后来又出现了温差供能等等奇葩方式。最简单的方式其实应该是换电池。前年，U Washington的Gollakota组实现了backscatter应该是未来的大方向，这个组实现了一种无源传感器网络，即不需要供电，通过反向散射链路调制空间中的电磁信号进行供能和通信，从而彻底解决了供电问题。这应该算是一个突破，但是离商用还有些工作需要做。
无论当前物联网的概念炒作得多么火、如何花哨，它的实质就是实验室的这些东西，RFID这种东西在智能物流上的应用只是最基础的场景，而学术界的研究主要经历了三个阶段，第一个阶段是基于MEMS技术的小型化节点，最典型的代表是伯克利David Culler组的Smart Dust智能灰尘，节点之间采用散射光进行通信，传感器节点仅1mm³大小；第二个阶段是解决组网问题，即ad-hoc和multi-hop方式的自组织和多跳网络；到了第三个阶段，学术界开始于寻找应用场景，开始跟大数据结合，玩一些看起来“好玩的东西”。实际上，大数据概念最早的提出，也是因为物联网的兴起，传感器接入网络之后，大大增加了可以挖掘的数据量，网络上的数据不但包括社交网络这种来自用户的数据，还有了来自物理世界的数据。
这个方向的很多大牛都转向mobile computing或者进入工业界了。随着传感器网络方向开始式微，国内的物联网产业也开始降温了，其根本原因在于：
1、供能瓶颈太大，用过智能手机的应该体会很深，当前锂电池供电能力有限；
2、传感器微型化遇到瓶颈，虽然MEMS给传感器微型化提供了一个有效的技术思路，但是这个也依赖于工艺的提升，数字器件可以用很小的制程，但是模拟器件，尤其是CMOS，微型化还是有困难；
3、无线传感网络，以及这中间出现的自组织和多跳网络的典型系统，如Smart Dust，M³实际上还是比较适合于特种应用，如军事和火灾营救、太空中等等，商业应用需要挖掘更多的应用场景，前几天百度投资的Indoor Atlas采用监测地磁的方式做室内定位，这是一个好的场景，但是当前主流的室内定位技术实际上并没有很大的发展，一直存在技术瓶颈。
总之，物联网也好，CPS也好，这个方向在未来毋庸置疑有着广阔的发展前景，但是当前基础研究和相关技术还有待发展，因此看起来发展缓慢，其实就是停滞，都在等待一个颠覆性应用可以让sensor network诈尸。

---