基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件的設(shè)計(jì)分析

張圓

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西省晉中市 030800）

對(duì)農(nóng)田環(huán)境以及農(nóng)作物生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是發(fā)展精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要方式，在這一過(guò)程中需要應(yīng)用多種現(xiàn)代科技，其中無(wú)線傳感技術(shù)最為常見(jiàn)?；跓o(wú)線傳感網(wǎng)進(jìn)行精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)，能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)全面、持續(xù)監(jiān)測(cè)提供保障。在實(shí)踐工作當(dāng)中，精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)人員需要合理運(yùn)用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，豐富軟件功能設(shè)計(jì)。

1 精細(xì)農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)控制需求

自二十世紀(jì)九十年代起，精細(xì)農(nóng)業(yè)逐漸興起，成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。精細(xì)農(nóng)業(yè)也被稱(chēng)為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)，在其應(yīng)用環(huán)節(jié)開(kāi)展農(nóng)作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。對(duì)于精細(xì)農(nóng)業(yè)而言，信息采集與處理是質(zhì)量田間管理的基礎(chǔ)，也是提升農(nóng)田產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵。目前，通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、遙感技術(shù)都在精細(xì)農(nóng)業(yè)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用，為滿足精細(xì)農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)控制需求奠定基礎(chǔ)。從現(xiàn)實(shí)角度來(lái)看，精細(xì)農(nóng)業(yè)的監(jiān)測(cè)控制需求主要表現(xiàn)在土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)和灌溉水源監(jiān)測(cè)等方面，在種植農(nóng)作物時(shí)不僅需要對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行控制，更必須強(qiáng)化電流電壓監(jiān)測(cè)[1]。

2 面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Networks）是大量傳感器為節(jié)點(diǎn)，基于無(wú)線通信技術(shù)和自由組織形式編制的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)。這種傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療護(hù)理以及軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，展現(xiàn)出大規(guī)模、動(dòng)態(tài)化、組網(wǎng)自由和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不確定的特點(diǎn)。通常來(lái)說(shuō)，無(wú)線傳感網(wǎng)由三部分組成：其一為節(jié)點(diǎn)；其二為傳感網(wǎng)絡(luò)；其三為用戶。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，無(wú)線傳感網(wǎng)展現(xiàn)出極高的安全性需求，在數(shù)據(jù)機(jī)密性、完整性、新鮮性和網(wǎng)絡(luò)的可用性、魯棒性方面要求極高，通?？梢圆扇KI機(jī)制滿足信息安全需求。當(dāng)前，無(wú)線傳感網(wǎng)逐漸被應(yīng)用到精細(xì)農(nóng)業(yè)當(dāng)中，為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了極大輔助。

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的無(wú)線傳感網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)主要由多個(gè)部分組成，分別為傳感器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的簇、簇首節(jié)點(diǎn)以及基站。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)而言，傳感器屬于其中的基礎(chǔ)部分，而數(shù)據(jù)采集、處理、無(wú)線通信和能量供應(yīng)等部分，又是傳感器節(jié)點(diǎn)的組成。由于具備這些功能模塊，故傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行采集和初步處理，并在此基礎(chǔ)上，將監(jiān)控中心的指令作為依據(jù)，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，傳感器的能量供應(yīng)，主要由電池提供。WSN節(jié)點(diǎn)部署方式以隨機(jī)分布為主，主要范圍是需要監(jiān)測(cè)的區(qū)域，通過(guò)合理的部署，構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)，還能借助GPS定位技術(shù)，對(duì)各傳感器所處的位置加以明確[2]。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)和簇存在密切的關(guān)聯(lián)，結(jié)合上文可知，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)是簇的組成，且各個(gè)簇都具有簇首。在無(wú)線傳感網(wǎng)工作階段，簇首扮演的角色幾乎無(wú)法被替代，具體表現(xiàn)為，簇首會(huì)在這個(gè)階段成為信息的接收端，匯聚了傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的信息，然后會(huì)對(duì)這些信息進(jìn)行融合，向匯聚節(jié)點(diǎn)處上傳。

在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域常說(shuō)的網(wǎng)關(guān)，就是所謂的匯聚節(jié)點(diǎn)，其主要作用為收集數(shù)據(jù)。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中站，匯聚節(jié)點(diǎn)尤為關(guān)鍵，不僅可以連接因特網(wǎng)，向網(wǎng)絡(luò)層傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)，還能連接任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。簇首在接收信息后，會(huì)以多跳路由為手段，向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，之后，由匯聚節(jié)點(diǎn)向任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，上述流程就是信息交互的過(guò)程，其中的主體就是任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)，信息交互是監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)目的達(dá)成的關(guān)鍵。

無(wú)線傳感網(wǎng)中的基站，就是上文所說(shuō)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)，通常為中心計(jì)算機(jī)，具有管理網(wǎng)絡(luò)的作用?；驹谵r(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的作用就是處理傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，在過(guò)濾無(wú)用數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提取和發(fā)送有用的數(shù)據(jù)。此外，基站還具有統(tǒng)一管理傳感器節(jié)點(diǎn)的作用。

2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

在查閱文獻(xiàn)資料后得知，設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)田屬于農(nóng)業(yè)的主要場(chǎng)合，其中，設(shè)施農(nóng)業(yè)又可細(xì)分為多個(gè)類(lèi)型，如設(shè)施栽培、設(shè)施養(yǎng)殖等。具有占地面積廣闊、環(huán)境空曠的特點(diǎn)，很難將電線鋪設(shè)到每一個(gè)角落。再加上，紫蜂對(duì)自然條件的依賴(lài)程度較高，在惡劣天氣條件下，紫蜂的通信性能會(huì)顯著下降。為充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要考慮網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，還要對(duì)其損耗加以關(guān)注。與此同時(shí)，還要考慮環(huán)境對(duì)各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布設(shè)距離的影響，避免通信效果受到環(huán)境影響。以上述設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，同時(shí)對(duì)分簇設(shè)計(jì)思路進(jìn)行運(yùn)用，本文所研究的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在組網(wǎng)過(guò)程中，對(duì)分簇有限自組網(wǎng)的方式加以運(yùn)用。這種組網(wǎng)方式主要是針對(duì)每一個(gè)簇，都采取合適的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)自組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，完成各簇首之間的組網(wǎng)。本系統(tǒng)將農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求作為依據(jù)，最終選擇了三種不同的結(jié)構(gòu)，分別為星型、交叉雙鏈和樹(shù)狀。在無(wú)線傳感網(wǎng)中，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)被分為了多個(gè)簇團(tuán)，且各簇團(tuán)均有一個(gè)與之相匹配的匯聚節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)是傳輸網(wǎng)絡(luò)的組成基礎(chǔ)。

考慮到本文所研究的無(wú)線傳感網(wǎng)，所應(yīng)用的環(huán)境為精細(xì)化農(nóng)業(yè)，這里以設(shè)施農(nóng)業(yè)為例，在此類(lèi)農(nóng)業(yè)中，大棚是最基本的單元，擁有非常多的數(shù)量，故可以將每個(gè)大棚都視為網(wǎng)絡(luò)中的簇。針對(duì)簇團(tuán)，可以對(duì)交叉雙鏈?zhǔn)酵ㄐ欧绞竭M(jìn)行使用。

在設(shè)計(jì)監(jiān)控軟件系統(tǒng)之前，還要對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試內(nèi)容如下：

第一，網(wǎng)絡(luò)能耗EC：

第二，網(wǎng)絡(luò)丟包率：在計(jì)算這個(gè)指標(biāo)的過(guò)程中，需要對(duì)P(vs,vd)路徑下全部數(shù)據(jù)包加以計(jì)算，并依據(jù)計(jì)算結(jié)果明確丟失的數(shù)據(jù)，在與總計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后，方可確定丟包率。計(jì)算公式為

在經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比后得知，交叉雙鏈通信方式，相較于直鏈通信方式，在數(shù)據(jù)傳輸率方面更具優(yōu)勢(shì)；但在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，不僅要考慮丟包率，還要考慮能耗[3]。故本文在組網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，將分簇有限自組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)作為主要選擇。

3 基于無(wú)線傳感網(wǎng)的監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件時(shí)，相關(guān)工作人員還需要關(guān)注軟件的性能以及操作便捷性。因此，實(shí)踐中應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件的操作界面、功能模塊以及數(shù)據(jù)采集處理程序進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

3.1 操作界面

在基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，相關(guān)工作人員需要強(qiáng)調(diào)頁(yè)面功能按鈕的布設(shè)合理性和頁(yè)面跳轉(zhuǎn)順暢性?；跓o(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件，主要發(fā)揮記錄、保存、檢索和處理監(jiān)測(cè)信息的作用，在設(shè)計(jì)操作界面時(shí)需要為發(fā)揮軟件功能提供保障。

一方面，注冊(cè)登錄界面設(shè)計(jì)。用戶初次登錄客戶端軟件時(shí)，需要進(jìn)行注冊(cè)，而后只需憑借用戶名和密碼即可登錄。設(shè)計(jì)注冊(cè)和登錄界面時(shí)，相關(guān)工作人員應(yīng)該踐行整潔、直觀、明確等原則，避免界面上出現(xiàn)過(guò)多元素混淆視聽(tīng)。比如，設(shè)置用戶名、密碼輸入欄，在下方設(shè)置注冊(cè)、登錄以及忘記密碼按鈕，基于極簡(jiǎn)風(fēng)格設(shè)計(jì)注冊(cè)登錄頁(yè)面，幫助用戶迅速完成注冊(cè)、登錄或修改密碼等操作。

另一方面，操作管理界面設(shè)計(jì)?；跓o(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件，需要為用戶提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、共享功能，更應(yīng)該具備管理監(jiān)測(cè)后臺(tái)的功能。為此，在界面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可采用左側(cè)羅列按鈕的方式布設(shè)數(shù)據(jù)查詢、共享以及后臺(tái)管理按鈕，以便使用者根據(jù)實(shí)際需求操作。

3.2 功能模塊和采集程序

在實(shí)踐工作當(dāng)中，基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)應(yīng)該以土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)、光照強(qiáng)度檢測(cè)、水電供給監(jiān)測(cè)為主，為此軟件設(shè)計(jì)人員需要基于傳感器驅(qū)動(dòng)確保軟件當(dāng)中的各類(lèi)功能性模塊有效運(yùn)行，并且通過(guò)強(qiáng)化程序設(shè)計(jì)保證各類(lèi)型監(jiān)測(cè)信息的全面采集。

3.2.1 土壤監(jiān)測(cè)模塊

土壤監(jiān)測(cè)模塊的主要作用，是監(jiān)測(cè)土壤的溫濕度條件以及有機(jī)質(zhì)含量，以便于田間管理人員可以掌握土壤肥力狀態(tài)。為此，可基于光電傳感器PC10-6T05充當(dāng)有機(jī)質(zhì)采集電路，利用STM32溫度數(shù)據(jù)的采集和濾波。在軟件運(yùn)行環(huán)節(jié)，土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集將經(jīng)過(guò)采樣通道配置、溫濕度數(shù)據(jù)采集、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)字值輸出等流程。

3.2.2 光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)模塊

對(duì)于農(nóng)作物而言，適宜的光照強(qiáng)度有助于促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，因此監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境時(shí)采集光照強(qiáng)度信息十分必要。在基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)選用BH1750FVI，并設(shè)計(jì)一次性、連續(xù)性和周期性采集等多種信息采集模式[4]。但是使用者在基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件當(dāng)中點(diǎn)擊光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)功能模塊按鈕時(shí)，該模塊將基于初始化、延時(shí)等待、模塊響應(yīng)、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)等流程運(yùn)行，從而為用戶提供完整而準(zhǔn)確的光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)信息。當(dāng)然，這一模塊還具備自動(dòng)保存和備份過(guò)往監(jiān)測(cè)信息的功能，因此軟件使用者可以直接查詢光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)的歷史記錄，為制定決策獲取更多的數(shù)據(jù)支持。

3.2.3 水電供給監(jiān)測(cè)模塊

基于無(wú)線傳感網(wǎng)的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件當(dāng)中的水溫模塊以及電壓電源檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)也同樣是十分重要，在此環(huán)節(jié)可基于DS18B20傳感器保障水溫模塊功能，也需要安裝可聯(lián)網(wǎng)的電壓電流檢測(cè)裝置確保設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。運(yùn)行軟件時(shí)，用戶點(diǎn)擊功能按鈕后，系統(tǒng)將直接發(fā)布模塊初始化指令，主機(jī)將發(fā)起復(fù)位且發(fā)送跳過(guò)ROM指令和讀取指令，然后在確定水溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)讀取正確以后，會(huì)將相關(guān)數(shù)據(jù)直接輸送至寄存器，進(jìn)而展現(xiàn)在操作者面前。在水溫模塊設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，來(lái)自傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將被放置于暫存寄存器，所以啟動(dòng)采集或查詢功能時(shí)軟件將直接從寄存器當(dāng)中讀取數(shù)據(jù)。在電流電壓供給檢測(cè)方面，相關(guān)工作人員應(yīng)該關(guān)注電流和電壓采集對(duì)象。比如，電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)采集對(duì)象為電源電壓分壓后的數(shù)值。這一功能的主要作用，是幫助用戶掌握監(jiān)測(cè)硬件狀態(tài)，避免影響監(jiān)測(cè)質(zhì)量。

4 結(jié)論

綜上所述，基于無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)計(jì)精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件十分可行。在這一過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須深入研究面向精細(xì)農(nóng)業(yè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，強(qiáng)調(diào)精細(xì)農(nóng)業(yè)管理軟件的框架搭建。設(shè)計(jì)精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)軟件時(shí)，還應(yīng)該基于傳感器驅(qū)動(dòng)溫濕度、光照強(qiáng)度、水電監(jiān)測(cè)等模塊設(shè)計(jì)，更需優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)與軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)。