無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

楊璐菲

摘要：我國農(nóng)田信息化建設(shè)活動開展的如火如荼，農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的輔助下不斷完善，在農(nóng)田環(huán)境變化監(jiān)督中發(fā)揮了系統(tǒng)的積極作用?；诖?，本文具體研究農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，以便為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測提供切實可行的方案，這對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作順利推進、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量提高有促進作用，同時，還能完善線傳感器網(wǎng)絡(luò)，擴大農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；農(nóng)田環(huán)境；監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)研究；系統(tǒng)實現(xiàn)

前言：

現(xiàn)如今，網(wǎng)絡(luò)信息時代悄然而至，在這一時代背景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不斷優(yōu)化，為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)支持。應(yīng)用農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)動態(tài)掌握農(nóng)田環(huán)境生長情況，以便為農(nóng)田環(huán)境管理制定合理化方案。由此可見，本文探究該論題具有必要性和重要性，論題探究如下。

1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本介紹

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)借助先進信息技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，通過多種技術(shù)融合來獲取網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域價值信息，并負責(zé)信息傳送。下文從節(jié)點結(jié)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)來方面來了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

1.1節(jié)點結(jié)構(gòu)

節(jié)點結(jié)構(gòu)由四部分組成，第一方面即數(shù)據(jù)采集單元，它負責(zé)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域數(shù)據(jù)信息獲取和轉(zhuǎn)換；第二部分即數(shù)據(jù)處理單元，該系統(tǒng)設(shè)計過程中應(yīng)用芯片的類型為，內(nèi)部嵌入內(nèi)核，這一單元處理內(nèi)容包括準(zhǔn)確定位、節(jié)點處理步驟、功耗管理、路由協(xié)議等；第三部分即數(shù)據(jù)傳輸單元，它通過節(jié)點間無線通信完成數(shù)據(jù)信息采集和傳輸。第四部分即電源單元，它主要負責(zé)向數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元供應(yīng)電源。

1.2體系結(jié)構(gòu)

體系結(jié)構(gòu)組成部分包括三方面，第一方面即網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它具有數(shù)據(jù)采集、處理、通信等功能，在數(shù)據(jù)信息獲取、傳輸中發(fā)揮重要作用；第二方面即網(wǎng)關(guān)節(jié)點，它主要負責(zé)節(jié)點傳輸；第三方面即監(jiān)控中心，它負責(zé)接收網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳遞的信息參數(shù)。

2農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)功能組成部分主要包括服務(wù)器、上位機及客戶端、GPRS網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器等，其中，傳感器節(jié)點負責(zé)采集空氣濕度、土壤濕度、PH值、光照等數(shù)據(jù)參數(shù)；上位機及客戶端負責(zé)數(shù)據(jù)處理、圖表繪制，用戶準(zhǔn)確輸入登錄密碼后，能夠直觀化、實時性監(jiān)督參數(shù)變化情況，進而了解農(nóng)田環(huán)境變化現(xiàn)狀。我國農(nóng)田面積較大，并且農(nóng)田環(huán)境變化較快，這在一定程度上會增加環(huán)境監(jiān)測阻力以及數(shù)據(jù)參數(shù)獲取難度。因此，農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用是十分必要的，通過發(fā)揮系統(tǒng)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用優(yōu)勢來全面、準(zhǔn)確獲取數(shù)據(jù)參數(shù)，在參數(shù)分析的基礎(chǔ)上制定農(nóng)田環(huán)境管理措施，這對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化有重要意義。下文具體分析農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案及具體設(shè)計要求[1]。

3系統(tǒng)設(shè)計方案及軟硬件設(shè)計

3.1設(shè)計方案

農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)組成部分介紹如上述所示，系統(tǒng)方案實際設(shè)計時，應(yīng)做好傳感器于各終端節(jié)點的連接工作，然后將終端節(jié)點置于不同農(nóng)田區(qū)域，以便監(jiān)督各區(qū)域農(nóng)田農(nóng)作物生長情況，以及環(huán)境變化情況。用戶通過觀看瀏覽器直觀了解遠距離農(nóng)田環(huán)境，專家學(xué)者具體分析變化數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果改變環(huán)境監(jiān)控方案。

3.2軟硬件設(shè)計

3.2.1軟件設(shè)計

節(jié)點軟件設(shè)計：S網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過程中，事先對協(xié)調(diào)器初始化處理，處理對象主要有芯片、應(yīng)用層協(xié)議、初始化系統(tǒng)時鐘等。接下來進行能量掃描，對于符合能量要求的信道進行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，同時，具體顯示網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。之后判斷入網(wǎng)節(jié)點合法性，許可合法化節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)。最后主動傳遞環(huán)境參數(shù)于協(xié)調(diào)器。節(jié)點軟件按照這一流程完成設(shè)計任務(wù)，能夠減少能量浪費，縮短設(shè)計時間。

網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計：操作系統(tǒng)編程這一網(wǎng)關(guān)軟件實際設(shè)計時，為其創(chuàng)設(shè)ARM-交叉編譯環(huán)境，將引導(dǎo)加載子程序設(shè)置為，根文件系統(tǒng)以及操作系統(tǒng)內(nèi)核分別為和。在適當(dāng)位置增設(shè)串口驅(qū)動程序，合理配置PPP協(xié)議，這能充分發(fā)揮上網(wǎng)這一功能優(yōu)勢。上網(wǎng)功能實現(xiàn)以應(yīng)用程序合理設(shè)計為基礎(chǔ)，網(wǎng)關(guān)響應(yīng)請求的數(shù)據(jù)信息后，針對數(shù)據(jù)信息分析、處理、存儲，同時，設(shè)置IP地址，借助遠程監(jiān)控主機以及CGI程序完成數(shù)據(jù)傳輸和查詢。

3.2.2硬件設(shè)計

硬件電路：無線通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較廣，該技術(shù)功能多樣，節(jié)點劃分以功能以依據(jù)，其中，精簡設(shè)備與全功能設(shè)備在硬件組成方面存在一致性，但在軟件設(shè)計方面需要合理配置。精簡設(shè)備作為終端節(jié)點，節(jié)點設(shè)備數(shù)量有五個；全功能設(shè)備功能優(yōu)勢體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等方面，在掌握數(shù)據(jù)傳輸距離的基礎(chǔ)上，滿足數(shù)據(jù)多路轉(zhuǎn)發(fā)需要。

接口電路：接口電路設(shè)計以不同類型傳感器為依據(jù)，其中，傳感器接口電路設(shè)計時，將端連接于的口；數(shù)字光照傳感模塊接口電路設(shè)計時，連接與口；型傳感器設(shè)計接口電路的過程中，借助芯片構(gòu)成總線匹配電路[2]。

節(jié)點電源電路設(shè)計：具體設(shè)計時，為擴大農(nóng)田采集節(jié)點布置范圍，供電電路設(shè)計遵循結(jié)合原則，即鋰電池結(jié)合于太陽能電池板，其中，芯片為電路提供充足電源，并且能夠合理管理充電電源，它能大大提高充電效率，合理調(diào)整電流以及電壓，確保電流、電壓保持穩(wěn)定狀態(tài)。

網(wǎng)關(guān)硬件電路設(shè)計：網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)連接中心，網(wǎng)關(guān)功能優(yōu)勢具體表現(xiàn)在：網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議調(diào)整、數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計時，搭建網(wǎng)關(guān)硬件平臺，優(yōu)化網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)。核心處理器主頻率和最高頻率分別達到和，接口數(shù)量有三個，該處理器硬件資源較充足，并且性能較高，能夠更好的滿足系統(tǒng)設(shè)計需要。針對網(wǎng)關(guān)與外部接入網(wǎng)通信問題處理時，增設(shè)GPRS通信模塊，以此支持網(wǎng)絡(luò)切換，實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境在線式監(jiān)測。

4系統(tǒng)測試分析

4.1數(shù)據(jù)傳輸測試

了解網(wǎng)絡(luò)功耗情況時，組織數(shù)據(jù)傳輸可靠性測試活動，每間隔8s發(fā)達數(shù)據(jù)包于協(xié)調(diào)器，發(fā)送操作結(jié)束后，協(xié)調(diào)器處于休眠狀態(tài)，之后對其進行參數(shù)測量，具體指的是待機電流、發(fā)射電流等，通過參數(shù)對比、計算，了解功耗變化情況。由于參數(shù)數(shù)值獲取過程中存在滯后性，因此，應(yīng)用時間間隔法準(zhǔn)確獲取功耗變化值，盡可能減小測試活動中數(shù)據(jù)傳輸誤差。總結(jié)測試實踐可知，通信距離小于360m之內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高。

4.2功能測試

針對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能進行測試分析，選取用來測試的農(nóng)田區(qū)域，將濕度、PH值、光照、水分等多個傳感器節(jié)點安排在農(nóng)田不同區(qū)域，保證協(xié)調(diào)器節(jié)點距離大于20m，數(shù)據(jù)采集時間間隔1h，充足準(zhǔn)備測量儀器，對比分析測量數(shù)據(jù)。對比測量數(shù)據(jù)誤差，通過差值判斷了解測量準(zhǔn)確度。

4.3監(jiān)測測試

網(wǎng)關(guān)、計算機設(shè)備分別連接農(nóng)田環(huán)境WIFI網(wǎng)絡(luò)，啟動瀏覽器，準(zhǔn)確輸入IP網(wǎng)關(guān)網(wǎng)址，依次輸入查詢?nèi)掌凇＝酉聛黻P(guān)閉WIFI模塊，應(yīng)用移動設(shè)備測試網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)，如果移動設(shè)備得到的查詢結(jié)果與上述結(jié)果一致，那么證明數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)順利連接，遠距離監(jiān)測功能優(yōu)勢正常發(fā)揮[3]。

結(jié)論：

綜上所述，本文在了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從軟件設(shè)計、硬件設(shè)計、系統(tǒng)測試等方面來掌握農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用原理，同時，能夠拓展系統(tǒng)設(shè)計思路、優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案，有利于擴大農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用范圍，豐富無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)嵺`經(jīng)驗。除此之外，我國應(yīng)深入探究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，提高該系統(tǒng)適用性。

參考文獻：

[1]肖令祿，王澤宇.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].河南科學(xué)，2017，35（10）：1574-1581.

[2]劉寧寧，蘇夏侃，楊自棟.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境因子監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機化研究，2014，36（09）：115-120.

[3]楊方.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，51（15）：3334-3335+3339.