基于无线传感网的精细农业监测软件的设计分析

2021-03-08张圆

电子技术与软件工程 2021年23期

张圆

（山西农业大学山西省晋中市 030800）

对农田环境以及农作物生长参数进行监测，是发展精细农业的重要方式，在这一过程中需要应用多种现代科技，其中无线传感技术最为常见。基于无线传感网进行精细农业监测软件设计，能够为实现全面、持续监测提供保障。在实践工作当中，精细农业监测软件设计人员需要合理运用无线传感网络，丰富软件功能设计。

1 精细农业的监测控制需求

自二十世纪九十年代起，精细农业逐渐兴起，成为现代农业的重要组成部分。精细农业也被称为精准农业，是一门跨学科综合技术，在其应用环节开展农作物生长监测至关重要。对于精细农业而言，信息采集与处理是质量田间管理的基础，也是提升农田产量和质量的关键。目前，通信技术、大数据技术、自动化技术、遥感技术都在精细农业当中得到广泛应用，为满足精细农业的监测控制需求奠定基础。从现实角度来看，精细农业的监测控制需求主要表现在土壤环境监测、光照强度监测和灌溉水源监测等方面，在种植农作物时不仅需要对上述参数进行控制，更必须强化电流电压监测[1]。

2 面向精细农业的无线传感网组网设计

无线传感网（Wireless Sensor Networks）是大量传感器为节点，基于无线通信技术和自由组织形式编制的分布式传感网络。这种传感网络在环境监测、医疗护理以及军事领域应用广泛，展现出大规模、动态化、组网自由和拓扑结构不确定的特点。通常来说，无线传感网由三部分组成：其一为节点；其二为传感网络；其三为用户。在实际应用环节，无线传感网展现出极高的安全性需求，在数据机密性、完整性、新鲜性和网络的可用性、鲁棒性方面要求极高，通常可以采取PKI机制满足信息安全需求。当前，无线传感网逐渐被应用到精细农业当中，为农业环境监测提供了极大辅助。

2.1 无线传感网结构

本文所研究的无线传感网，其结构主要由多个部分组成，分别为传感器节点、多个节点组成的簇、簇首节点以及基站。对于网络而言，传感器属于其中的基础部分，而数据采集、处理、无线通信和能量供应等部分，又是传感器节点的组成。由于具备这些功能模块，故传感器节点能够对数据进行采集和初步处理，并在此基础上，将监控中心的指令作为依据，完成数据的发送，传感器的能量供应，主要由电池提供。WSN节点部署方式以随机分布为主，主要范围是需要监测的区域，通过合理的部署，构成完整的网络结构，同时，还能借助GPS定位技术，对各传感器所处的位置加以明确[2]。

在传感器网络中，传感器节点和簇存在密切的关联，结合上文可知，多个传感器节点是簇的组成，且各个簇都具有簇首。在无线传感网工作阶段，簇首扮演的角色几乎无法被替代，具体表现为，簇首会在这个阶段成为信息的接收端，汇聚了传感器节点所采集的信息，然后会对这些信息进行融合，向汇聚节点处上传。

在互联网领域常说的网关，就是所谓的汇聚节点，其主要作用为收集数据。在无线传感网络中站，汇聚节点尤为关键，不仅可以连接因特网，向网络层传输数据，同时，还能连接任务管理节点。簇首在接收信息后，会以多跳路由为手段，向汇聚节点传送数据，之后，由汇聚节点向任务管理节点传送数据，上述流程就是信息交互的过程，其中的主体就是任务管理节点和传感器节点，信息交互是监控现场目的达成的关键。

无线传感网中的基站，就是上文所说的任务管理节点，通常为中心计算机，具有管理网络的作用。基站在农业监测系统中的作用就是处理传感器节点所采集到的现场数据，在过滤无用数据的基础上，提取和发送有用的数据。此外，基站还具有统一管理传感器节点的作用。

2.2 无线传感网组网设计

在查阅文献资料后得知，设施农业和农田属于农业的主要场合，其中，设施农业又可细分为多个类型，如设施栽培、设施养殖等。具有占地面积广阔、环境空旷的特点，很难将电线铺设到每一个角落。再加上，紫蜂对自然条件的依赖程度较高，在恶劣天气条件下，紫蜂的通信性能会显著下降。为充分发挥监测系统的作用，在进行网络拓扑结构设计的过程中，不仅要考虑网络的覆盖范围，还要对其损耗加以关注。与此同时，还要考虑环境对各网络节点布设距离的影响，避免通信效果受到环境影响。以上述设计为切入点，同时对分簇设计思路进行运用，本文所研究的精细农业监测系统在组网过程中，对分簇有限自组网的方式加以运用。这种组网方式主要是针对每一个簇，都采取合适的结构，并通过自组网结构，完成各簇首之间的组网。本系统将农业应用需求作为依据，最终选择了三种不同的结构，分别为星型、交叉双链和树状。在无线传感网中，整个网络被分为了多个簇团，且各簇团均有一个与之相匹配的汇聚节点，这些节点是传输网络的组成基础。

考虑到本文所研究的无线传感网，所应用的环境为精细化农业，这里以设施农业为例，在此类农业中，大棚是最基本的单元，拥有非常多的数量，故可以将每个大棚都视为网络中的簇。针对簇团，可以对交叉双链式通信方式进行使用。

在设计监控软件系统之前，还要对系统性能进行测试，主要测试内容如下：

第一，网络能耗EC：

第二，网络丢包率：在计算这个指标的过程中，需要对P(vs,vd)路径下全部数据包加以计算，并依据计算结果明确丢失的数据，在与总计算结果进行对比后，方可确定丢包率。计算公式为

在经过综合对比后得知，交叉双链通信方式，相较于直链通信方式，在数据传输率方面更具优势；但在精准农业领域应用，不仅要考虑丢包率，还要考虑能耗[3]。故本文在组网设计时，将分簇有限自组网技术组网作为主要选择。

3 基于无线传感网的监测软件系统设计

基于无线传感网设计精细农业监测软件时，相关工作人员还需要关注软件的性能以及操作便捷性。因此，实践中应结合实际需求，对精细农业监测软件的操作界面、功能模块以及数据采集处理程序进行合理设计。

3.1 操作界面

在基于无线传感网的精细农业监测软件设计环节，相关工作人员需要强调页面功能按钮的布设合理性和页面跳转顺畅性。基于无线传感网的精细农业监测软件，主要发挥记录、保存、检索和处理监测信息的作用，在设计操作界面时需要为发挥软件功能提供保障。

一方面，注册登录界面设计。用户初次登录客户端软件时，需要进行注册，而后只需凭借用户名和密码即可登录。设计注册和登录界面时，相关工作人员应该践行整洁、直观、明确等原则，避免界面上出现过多元素混淆视听。比如，设置用户名、密码输入栏，在下方设置注册、登录以及忘记密码按钮，基于极简风格设计注册登录页面，帮助用户迅速完成注册、登录或修改密码等操作。

另一方面，操作管理界面设计。基于无线传感网的精细农业监测软件，需要为用户提供监测数据查询、共享功能，更应该具备管理监测后台的功能。为此，在界面设计环节，可采用左侧罗列按钮的方式布设数据查询、共享以及后台管理按钮，以便使用者根据实际需求操作。

3.2 功能模块和采集程序

在实践工作当中，基于无线传感网的精细农业监测应该以土壤环境监测、光照强度检测、水电供给监测为主，为此软件设计人员需要基于传感器驱动确保软件当中的各类功能性模块有效运行，并且通过强化程序设计保证各类型监测信息的全面采集。

3.2.1 土壤监测模块

土壤监测模块的主要作用，是监测土壤的温湿度条件以及有机质含量，以便于田间管理人员可以掌握土壤肥力状态。为此，可基于光电传感器PC10-6T05充当有机质采集电路，利用STM32温度数据的采集和滤波。在软件运行环节，土壤温湿度数据采集将经过采样通道配置、温湿度数据采集、A/D信号转换与数字值输出等流程。

3.2.2 光照强度监测模块

对于农作物而言，适宜的光照强度有助于促进农作物生长，因此监测农业生产环境时采集光照强度信息十分必要。在基于无线传感网的精细农业监测软件设计环节，应选用BH1750FVI，并设计一次性、连续性和周期性采集等多种信息采集模式[4]。但是使用者在基于无线传感网的精细农业监测软件当中点击光照强度监测功能模块按钮时，该模块将基于初始化、延时等待、模块响应、数据读取、数据呈现等流程运行，从而为用户提供完整而准确的光照强度监测信息。当然，这一模块还具备自动保存和备份过往监测信息的功能，因此软件使用者可以直接查询光照强度监测的历史记录，为制定决策获取更多的数据支持。

3.2.3 水电供给监测模块

基于无线传感网的精细农业监测软件当中的水温模块以及电压电源检测模块设计也同样是十分重要，在此环节可基于DS18B20传感器保障水温模块功能，也需要安装可联网的电压电流检测装置确保设备运行稳定。运行软件时，用户点击功能按钮后，系统将直接发布模块初始化指令，主机将发起复位且发送跳过ROM指令和读取指令，然后在确定水温监测数据读取正确以后，会将相关数据直接输送至寄存器，进而展现在操作者面前。在水温模块设计环节，来自传感器的监测数据将被放置于暂存寄存器，所以启动采集或查询功能时软件将直接从寄存器当中读取数据。在电流电压供给检测方面，相关工作人员应该关注电流和电压采集对象。比如，电压检测数据采集对象为电源电压分压后的数值。这一功能的主要作用，是帮助用户掌握监测硬件状态，避免影响监测质量。