1. 引言
我国人口众多，人均占有土地量存在严重不足的现象。为此，要保护好我国的生态环境，并在基础上对我国有限土地资源进行合理化的利用，采取有效的农业科学技术来提高我国的农产品的质量。精细农业主要是通过利用计算机技术、网络信息技术并结合农业种植专业知识理论在保障农作物质量的基础上提高农产品的产量和质量。由于每种农作物的生长环境要素都各不相同，所以要尊重物种的差异，做到具体情况具体分析，以此来更好地提高农产物的产量和质量。
2. 精细农业中无线传感器网络技术需求
2.1. 容易进行布置
一般情况下，农业生产的环境都相对比较复杂，例如：在设施大棚中会放置各种各样的生产工具和生产材料，存放位置相对杂乱；农业生产人员的自身专业素质较低，无法全面掌握无线网络技术。应用在农业生产中的无线传感网络无法满足简单、便捷的布置需求就会降低无线传感器的应用价值。无论是在安装上还是在部署上都要求非常低，而且对于实际的应用环境也没有太过于严格的要求方能利于无线传感网络技术在精细农业中的应用 [1]。
2.2. 容易进行合理化的控制
由于农业生产者不具备专业的无线网络技术知识，且对农业生产复杂环境没有一个正确的认知，通过在农业生产中应用无线传感器可以起到重要的作用：一方面，可以满足农业生者对农业生产易控制的需求，不需要开展过于复杂的操作即可完成农业生产；另一方面，能够开展智能化的工作，不需要人为干预，极大的减少了人力和物力，提高了农业生产的效率和水平，为实现较高的经济效益奠定了良好的基础 [2]。
2.3. 低功耗
由于农业生产的环境非常复杂，所以农业生产的过程中无法对每一个监测点都设置相应的电源接口，特别是在大田的生产环境中，更不能保证每个监测点都有电源接口。在大田生产环境中，即使前期进行管道布线，也有因自然的外力作用而致使布线受损的风险。相应田块经过耕耙之后，表土就会变得疏松，如遇大暴雨侵袭，表土所受到的侵蚀性会变得更加的严重，沙尘、逆流泛滥，会对整个管道造成严重的堵塞 [3]。再加上垃圾的排放，加大了环境污染的程度，严重威胁着大田中农作物的生长。为了更好的适应作物种植环境，在农业生产中应用排线传感器，一般都情况下都需要自行安装一个电源。为了更好的减少自带电源对供电造成的压力，需要结合实际情况对传感器整体的功能消耗进行调节，降至到标准范围内，所以在对无线传感器网络技术进行选择的时候，一定要重视功功能消耗这一问题，它直接决定着整个农业生产的效率和无线传感器网络技术的应用价值 [4]。张恩光 [3] 研究中对低功耗进行了深入性的研究，超低功耗其供电电压为2.4~3.6 V，内建低电压复位功能和低电压检测功能。系统可采用双时钟方式，支持两种省电模式：IDLE模式和掉电模式，能够支持该技术更好的应用。
2.4. 保障通信的稳定性
更好的保障精细农业在生产过程中可以对各个目标进行合理化的控制，对于每个所监测的传感器的节点就要每天按时完成对数据监测的工作，并对监测的数据进行统计、分析和整理，整理好后将数据和信息长传到相应的系统中，所以在对达到精细农业的控制目标，各个监测点的传感器需要按时完成监测数据的上传，基于此，在对无线传感器网络技术进行选择的时候一定要先对农业生产的复杂环境进行分析，根据分析结果选择良好的技术，确保该技术可以达到良好的通信能力，并且还具有稳定性的特征 [5]。
2.5. 使用成本低
在使用无线传感器网络技术的时候，一定要结合农业生产现状，创新精细农业生产的粗放式管理方式，加强指导，从而选择合适的生产方式来降低整个农业生产过程中的成本，从而获取更多的经济效益，同时也可以有效提高产品的质量和产量，为了实现以上目标，需要对无线网络传感设备的造成进行权衡，选择性价比最高且可以满足当下农业生产实际需求的设备，能够有效提高农业生产的经济效益，为促进精细农业的发展奠定了良好的基础。
3. 精细农业中无线传感器网络技术分析
3.1. 系统拓扑结构设计
通过结合目前无线传感器网络结构的具体特征和精细农业发展的现状，对该系统结构进行了设计和改造，即：星型拓扑网络结构，具体结构见图1。
星型的拓扑网络结构具有点到点的特征，所有数据的传送以及信息的交换和管理都通过中央集线设备来实现。在星型拓扑结构中，系统结构中的任何一个传感器的节点都会与中央协调节点有着密切的关系，可以完成双向性的通信功能，确保通信内容的流畅性和完整性。
3.2. 系统功能设计
该系统的具体功能情况见表1。
3.3. 无线通信设计
ZigBee无线通信。通过对我国农业生产环境分析可知，我国的农业地域环境分布的非常广泛，且不均衡，所以在对远距离的农业生产情况进行检测的过程中所选择的通信方式的标准和要求就比较高，需要成本低，信号的覆盖面广可以对地域和角落进行检测，且维护程度低，不需要短时间内对该设备进行维护和检修，可以减少大量的人力和无力，进而获取更高的经济效益 [6]。精细农业在管理过程中最好的通信方式就是选用Zig-Bee无线通信。因为Zig-Bee无线通信方式在实际应用的过程中不仅数据速率非常低，使用成本低，而且操作的难度系数也非常低，操作人员易上手，延时性短，实现了低成本、高效益使用目标。各项无线通信技术的应用特征介绍见表2，便于在不同的环境下和情况下选择最优的通信方式，达到最理想的结果。
使用型号为CC2530的ZigBee技术，构建完善的无线传感器网络，将已经采集好的相关管理数据传输到上位机数据端并对所有数据进行融入 [7]。对于系统结构中的协调器节点需要完成的任务就是对无线网络、网络运行中的数据进行采集，采集整理后将其进行上传，这样可以保障系统的网络组成建设结构更加完善 [8]。在ZigBee技术的协议栈中，要想保障协调节电器中的各项功能达到初始化的状态，实现地址配置、节点之间的绑定操作需要从以下三个方面入手：做好每个层上的主功能相应工作、数据采集和转发的过程中可以顺利完成及确保系统网络可以定期进行维护和管理 [9]。
Table 2. Features of wireless communication technology
表2. 无线通信技术特点
GPRS通信。采用GPRS远距离无线传输模块，该模块由济南市的物联网技术公所研发和生产，该模块在应用的过程中一般都是采用内嵌协议栈的设计方案，模块的外部不假设任何的芯片。这种模块主要的性能就是运行的稳定性非常高，可以支持4路网络并行连接，共同运行 [10]。该模块可以将串口中所接到的数据和信息在同一个状态下进行发送，分别发送给4个服务器。该模块通过设定keep-alive机制，容易确保网络在运行的过程中不会出现断开或者是连接错误的现象，可以永久性的保持在线状态，同时GPRS远距离无线传输模还可以对远程的配置参数进行使用，采用短信的方式，发送AT指令对其他的参数进行配置。
3.4. 网络配置
无线传感器网络在运行过程中会收集到非常多的数据和信息，对于这些数据都可以直接利用ZigBee网络发送到相应的位置节点上。在协议栈中，对网络运行中的数据进行发送和传输主要就是通过对AF_Data Request函数进行调用来实现 [11] [12]。具体来讲，AF_DataRe-quest函数完成这一任务主要就是通过对物理层的相关函数进行调用，再采用驱动天线的方式就可以将相关信息数据进行发送。
3.5. 系统实现
实现方案主要包括网络与通信技术、协同信息处理技术、管理技术三个方面。其中，网络与通信技术实现数据从传感节点到用户端的有效传输；协同信息处理技术实现从复杂信息中获取有效的分析结果，包括信号特征提取、模式识别与分类、协同感知、目标跟踪等；管理技术则是对分布的传感节点进行管理和协调，并依据功能可将其分为能量管理、拓扑管理、移动管理和任务管理等。每一个模块都完成正确的配置，并结合实际情况对完成配置的模块进行调试后可以通过相应软件进行远程操控，本文采用Android系统上手机的应用软件和计算机软件进行操作，主要操控的内容有包括农田环境数据的采集，浇水、施肥等 [13]。
以猕猴桃种植的测土数据为例，通过嵌入式GIS、数据库、ArcGIS for Android、ArcGIS Server等技术的应用，借助精准施肥法与GIS空间分析来共同设计完成了嵌入式猕猴桃施肥系统，并在此过程中实现了EGIS与农业施肥的有效结合。这一举措不仅明显改善了盲目施肥对生态环境与农业生产效率所造成的不良影响，同时也进一步提升快农业生产的精准化 [14] [15] [16] [17]。
嵌入式猕猴桃施肥系统在Android系统的基础上，可以在装有Android虚拟机的计算机上，或者是Android手机、Android平板上实现运行。猕猴桃施肥系统界面见图2，图2a为猕猴桃施肥系统的主功能界面。若利用地图定位功能，研究区的地图显示在界面上就如图2b所示。操作人员可以通过手指来滑动屏幕，进而实现移动地图的放大与缩小。同时，根据自己的需求点击GPS按钮，除了可以获取该区域的准确位置之外，还可以将该位置明确的标志在图上。另外，待定位成功后，操作人员能够选择生成施肥建议，或者是通过经纬度查询施肥建议 [10]，图2c为某点地块生成的施肥建议。通过嵌入式猕猴桃施肥系统的应用，实验地区的猕猴桃生产效率大大提升。
Figure 2. Fertilizer system interface
图2. 猕猴桃施肥系统界面
4. 结束语
综上所述，精细农业生产的过程中通过对无线传感器网络关键技术进行合理化的应用，并结合科学技术发展对无线传感器网络系统进行不断的优化和设计，能够对农作物生长过程中植物的气候、植物生长的土壤情况以及发育的温度进行实时监控，可以更好地促进农作物的生长，通过分析所监测到的实时数据可以实现因地制宜的精细农业管理，一方面可以提高农业的管理水平，进而提高农产品的产量，另一方面还可以降低农业生产过程中的能耗，获取更大的经济效益和社会效益，为保障农产品的质量奠定了良好的基础。
基金项目
广西科技师范学院青年科研创新团队(No. GXKS2020QNTD02)、广西来宾市科学研究与技术开发项目广西来宾市智慧农业云平台研究与建设(来科能193305)、广西高校中青年教师基础能力提升项目(No. 2018KY0701, No. 2018KY0703, No. 2020KY23024)、广西教育厅教改项目(No. GXGZJG2018B123, No. 2020JGB405, No. 2020JGB407, No. 2020JGB347)。