基于無線傳感網的精細農業監測軟件的設計分析

張圓

（山西農業大學 山西省晉中市 030800）

對農田環境以及農作物生長參數進行監測，是發展精細農業的重要方式，在這一過程中需要應用多種現代科技，其中無線傳感技術最為常見。基于無線傳感網進行精細農業監測軟件設計，能夠為實現全面、持續監測提供保障。在實踐工作當中，精細農業監測軟件設計人員需要合理運用無線傳感網絡，豐富軟件功能設計。

1 精細農業的監測控制需求

自二十世紀九十年代起，精細農業逐漸興起，成為現代農業的重要組成部分。精細農業也被稱為精準農業，是一門跨學科綜合技術，在其應用環節開展農作物生長監測至關重要。對于精細農業而言，信息采集與處理是質量田間管理的基礎，也是提升農田產量和質量的關鍵。目前，通信技術、大數據技術、自動化技術、遙感技術都在精細農業當中得到廣泛應用，為滿足精細農業的監測控制需求奠定基礎。從現實角度來看，精細農業的監測控制需求主要表現在土壤環境監測、光照強度監測和灌溉水源監測等方面，在種植農作物時不僅需要對上述參數進行控制，更必須強化電流電壓監測[1]。

2 面向精細農業的無線傳感網組網設計

無線傳感網（Wireless Sensor Networks）是大量傳感器為節點，基于無線通信技術和自由組織形式編制的分布式傳感網絡。這種傳感網絡在環境監測、醫療護理以及軍事領域應用廣泛，展現出大規模、動態化、組網自由和拓撲結構不確定的特點。通常來說，無線傳感網由三部分組成：其一為節點；其二為傳感網絡；其三為用戶。在實際應用環節，無線傳感網展現出極高的安全性需求，在數據機密性、完整性、新鮮性和網絡的可用性、魯棒性方面要求極高，通常可以采取PKI機制滿足信息安全需求。當前，無線傳感網逐漸被應用到精細農業當中，為農業環境監測提供了極大輔助。

2.1 無線傳感網結構

本文所研究的無線傳感網，其結構主要由多個部分組成，分別為傳感器節點、多個節點組成的簇、簇首節點以及基站。對于網絡而言，傳感器屬于其中的基礎部分，而數據采集、處理、無線通信和能量供應等部分，又是傳感器節點的組成。由于具備這些功能模塊，故傳感器節點能夠對數據進行采集和初步處理，并在此基礎上，將監控中心的指令作為依據，完成數據的發送，傳感器的能量供應，主要由電池提供。WSN節點部署方式以隨機分布為主，主要范圍是需要監測的區域，通過合理的部署，構成完整的網絡結構，同時，還能借助GPS定位技術，對各傳感器所處的位置加以明確[2]。

在傳感器網絡中，傳感器節點和簇存在密切的關聯，結合上文可知，多個傳感器節點是簇的組成，且各個簇都具有簇首。在無線傳感網工作階段，簇首扮演的角色幾乎無法被替代，具體表現為，簇首會在這個階段成為信息的接收端，匯聚了傳感器節點所采集的信息，然后會對這些信息進行融合，向匯聚節點處上傳。

在互聯網領域常說的網關，就是所謂的匯聚節點，其主要作用為收集數據。在無線傳感網絡中站，匯聚節點尤為關鍵，不僅可以連接因特網，向網絡層傳輸數據，同時，還能連接任務管理節點。簇首在接收信息后，會以多跳路由為手段，向匯聚節點傳送數據，之后，由匯聚節點向任務管理節點傳送數據，上述流程就是信息交互的過程，其中的主體就是任務管理節點和傳感器節點，信息交互是監控現場目的達成的關鍵。

無線傳感網中的基站，就是上文所說的任務管理節點，通常為中心計算機，具有管理網絡的作用。基站在農業監測系統中的作用就是處理傳感器節點所采集到的現場數據，在過濾無用數據的基礎上，提取和發送有用的數據。此外，基站還具有統一管理傳感器節點的作用。

2.2 無線傳感網組網設計

在查閱文獻資料后得知，設施農業和農田屬于農業的主要場合，其中，設施農業又可細分為多個類型，如設施栽培、設施養殖等。具有占地面積廣闊、環境空曠的特點，很難將電線鋪設到每一個角落。再加上，紫蜂對自然條件的依賴程度較高，在惡劣天氣條件下，紫蜂的通信性能會顯著下降。為充分發揮監測系統的作用，在進行網絡拓撲結構設計的過程中，不僅要考慮網絡的覆蓋范圍，還要對其損耗加以關注。與此同時，還要考慮環境對各網絡節點布設距離的影響，避免通信效果受到環境影響。以上述設計為切入點，同時對分簇設計思路進行運用，本文所研究的精細農業監測系統在組網過程中，對分簇有限自組網的方式加以運用。這種組網方式主要是針對每一個簇，都采取合適的結構，并通過自組網結構，完成各簇首之間的組網。本系統將農業應用需求作為依據，最終選擇了三種不同的結構，分別為星型、交叉雙鏈和樹狀。在無線傳感網中，整個網絡被分為了多個簇團，且各簇團均有一個與之相匹配的匯聚節點，這些節點是傳輸網絡的組成基礎。

考慮到本文所研究的無線傳感網，所應用的環境為精細化農業，這里以設施農業為例，在此類農業中，大棚是最基本的單元，擁有非常多的數量，故可以將每個大棚都視為網絡中的簇。針對簇團，可以對交叉雙鏈式通信方式進行使用。

在設計監控軟件系統之前，還要對系統性能進行測試，主要測試內容如下：

第一，網絡能耗EC：

第二，網絡丟包率：在計算這個指標的過程中，需要對P(vs,vd)路徑下全部數據包加以計算，并依據計算結果明確丟失的數據，在與總計算結果進行對比后，方可確定丟包率。計算公式為

在經過綜合對比后得知，交叉雙鏈通信方式，相較于直鏈通信方式，在數據傳輸率方面更具優勢；但在精準農業領域應用，不僅要考慮丟包率，還要考慮能耗[3]。故本文在組網設計時，將分簇有限自組網技術組網作為主要選擇。

3 基于無線傳感網的監測軟件系統設計

基于無線傳感網設計精細農業監測軟件時，相關工作人員還需要關注軟件的性能以及操作便捷性。因此，實踐中應結合實際需求，對精細農業監測軟件的操作界面、功能模塊以及數據采集處理程序進行合理設計。

3.1 操作界面

在基于無線傳感網的精細農業監測軟件設計環節，相關工作人員需要強調頁面功能按鈕的布設合理性和頁面跳轉順暢性。基于無線傳感網的精細農業監測軟件，主要發揮記錄、保存、檢索和處理監測信息的作用，在設計操作界面時需要為發揮軟件功能提供保障。

一方面，注冊登錄界面設計。用戶初次登錄客戶端軟件時，需要進行注冊，而后只需憑借用戶名和密碼即可登錄。設計注冊和登錄界面時，相關工作人員應該踐行整潔、直觀、明確等原則，避免界面上出現過多元素混淆視聽。比如，設置用戶名、密碼輸入欄，在下方設置注冊、登錄以及忘記密碼按鈕，基于極簡風格設計注冊登錄頁面，幫助用戶迅速完成注冊、登錄或修改密碼等操作。

另一方面，操作管理界面設計。基于無線傳感網的精細農業監測軟件，需要為用戶提供監測數據查詢、共享功能，更應該具備管理監測后臺的功能。為此，在界面設計環節，可采用左側羅列按鈕的方式布設數據查詢、共享以及后臺管理按鈕，以便使用者根據實際需求操作。

3.2 功能模塊和采集程序

在實踐工作當中，基于無線傳感網的精細農業監測應該以土壤環境監測、光照強度檢測、水電供給監測為主，為此軟件設計人員需要基于傳感器驅動確保軟件當中的各類功能性模塊有效運行，并且通過強化程序設計保證各類型監測信息的全面采集。

3.2.1 土壤監測模塊

土壤監測模塊的主要作用，是監測土壤的溫濕度條件以及有機質含量，以便于田間管理人員可以掌握土壤肥力狀態。為此，可基于光電傳感器PC10-6T05充當有機質采集電路，利用STM32溫度數據的采集和濾波。在軟件運行環節，土壤溫濕度數據采集將經過采樣通道配置、溫濕度數據采集、A/D信號轉換與數字值輸出等流程。

3.2.2 光照強度監測模塊

對于農作物而言，適宜的光照強度有助于促進農作物生長，因此監測農業生產環境時采集光照強度信息十分必要。在基于無線傳感網的精細農業監測軟件設計環節，應選用BH1750FVI，并設計一次性、連續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線傳感網的精細農業監測軟件當中點擊光照強度監測功能模塊按鈕時，該模塊將基于初始化、延時等待、模塊響應、數據讀取、數據呈現等流程運行，從而為用戶提供完整而準確的光照強度監測信息。當然，這一模塊還具備自動保存和備份過往監測信息的功能，因此軟件使用者可以直接查詢光照強度監測的歷史記錄，為制定決策獲取更多的數據支持。

3.2.3 水電供給監測模塊

基于無線傳感網的精細農業監測軟件當中的水溫模塊以及電壓電源檢測模塊設計也同樣是十分重要，在此環節可基于DS18B20傳感器保障水溫模塊功能，也需要安裝可聯網的電壓電流檢測裝置確保設備運行穩定。運行軟件時，用戶點擊功能按鈕后，系統將直接發布模塊初始化指令，主機將發起復位且發送跳過ROM指令和讀取指令，然后在確定水溫監測數據讀取正確以后，會將相關數據直接輸送至寄存器，進而展現在操作者面前。在水溫模塊設計環節，來自傳感器的監測數據將被放置于暫存寄存器，所以啟動采集或查詢功能時軟件將直接從寄存器當中讀取數據。在電流電壓供給檢測方面，相關工作人員應該關注電流和電壓采集對象。比如，電壓檢測數據采集對象為電源電壓分壓后的數值。這一功能的主要作用，是幫助用戶掌握監測硬件狀態，避免影響監測質量。

4 結論

綜上所述，基于無線傳感網設計精細農業監測軟件十分可行。在這一過程中，設計人員必須深入研究面向精細農業的無線傳感器網絡關鍵技術，強調精細農業管理軟件的框架搭建。設計精細農業監測軟件時，還應該基于傳感器驅動溫濕度、光照強度、水電監測等模塊設計，更需優化數據庫與軟件系統界面設計。