软件安全技术在大面积农业监测系统中的应用

王小花,康 华

(唐山科技职业技术学院,河北 唐山 063000)

0 引言

精准农业是一套完整的农业生产体系,能够根据农作物的生长环境参数合理进行农作物生产资料调节,达到最优化的农业生产状态[1-2]。精准农业生产主要应用于作物种植和水产养殖过程中,能够进行多种环境应用,并对农作物生长过程中的相关信息进行实时监测,实现农业种植数字化和智能化[3]。研究表明:农业信息监测系统能够为种植者提供完整的产能提升方案,同时对农产品品质数据进行表述[4]。

1 农业监测系统总体设计

农业信息监测系统主要包含传感器、农田节点、通信节点、接入层设备、服务器以及用户终端等[5-6],如图1所示。农业信息监测系统中,传感器用于进行农作物种植区域的气压、土壤温湿度、温湿度、光照强度以及空气质量等环境参数的采集,并通过无线通信技术传输至通信节点,经接入层设备传输至系统服务器;环境参数信息数据经服务器处理后,发送至用户终端进行信息数据的显示,从而实现农作物生长状态信息的远程监测[7]。无线通信技术采用LoRaWAN网络架构,运行过程方便、网络延迟小。

图1 农业监测系统总体结构框架Fig.1 Overall structure framework of agricultural monitoring system

用户进行农田状态信息远程监控和实时监测时,通过网页交互界面进行参数读取和监测指令的输入,当服务器接收到实时监测数据时,利用人工智能后处理的方式进行数据分析,并通过B/S架构进行直观展示[8-9]。农业监测系统安装完成后,只需加入运行网络,即可对农田范围内的参数信息进行访问;运行过程中无需进行界面维护,只需进行数据平台数据刷新,即可监测到最新的状态数据。

2 农业监测系统硬件设计

农业监测系统主要包含传感器、主控制器、无线通信模块以及电源模块,如图2所示。各模块功能信息如表1所示。

表1 农业监测系统功能模块信息Table 1 Function module information of agricultural monitoring system

图2 农业监测系统硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram of agricultural monitoring system

主控制器与传感器之间利用数字接口、模拟接口、总线以及UART进行通信,主控制器与无线通信模块之间采用总线通信的方式进行数据交互[10]。主控制器将传感器采集到的农田监测数据发送至无线通信模块,利用无线通信协议进行数据解调,主控制器之间进行通信数据传输。本文选用32位ARM M0+处理器,采用引脚数为48的G18系列单片机,闪存容量达到256kB,主频达到48MHz,供电电压为1.6～3.6V,可在-40～80℃温度范围内连续工作。主控制器集成6个串行通信模块,可配置为多个接口形式,运行过程中可以采用空闲模式和待机模式两种睡眠模式[11-12]。

为进行环境参数采集,涉及到的传感器主要包含温湿度传感器、土壤温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、氧气浓度传感器、光照强度传感器以及灰尘颗粒传感器等[13]。

温湿度传感器采用BME280型传感器,可同时进行环境压力、温度以及湿度参数采集,响应快速,在进行气压测量和温度测量时均具有较高的精度,结构紧凑,封装完整,可在室外进行连续作业,具有较低的功耗,适合采用电池进行供电[14]。表2为BME280型温湿度传感器技术参数。

表2 BME280型温湿度传感器技术参数Table 2 Technical parameters of temperature and humidity sensor of BME280

选用MHZ16红外型二氧化碳传感器,其具有较高的灵敏度和分辨率,能够较好地抵抗外界干扰,在气体环境下良好工作,其内置的温度传感器能够在监测二氧化碳过程中进行温度补偿[15]。表3为MHZ16红外型二氧化碳传感器技术参数。

表3 MHZ16红外型二氧化碳传感器技术参数Table 3 Technical parameters of infrared carbon dioxide sensor of MHZ16

氧气传感器采用ME2型电化学气体传感器。工作时,被监测气体在传感器内置电解槽内发生氧化还原反应,释放出电荷产生电流,电荷量的多少与目标气体浓度成正比,使用过程中具有较高的灵敏度和稳定性,适合工业环境和农业环境中进行氧气浓度监测。表4为ME2型气体传感器技术参数。

表4 ME2型气体传感器技术参数Table 4 Technical parameters of gas sensor of ME2

农业监测系统采用太阳能与锂电池相结合的方式进行供电,以太阳能电池为主电源,锂电池为备用电源,采用双余都的方式供电,有效提高监测系统运行过程中的稳定性[16]。

3 农业监测系统软件设计

农业监测系统软件要求能够实现空气温湿度、土壤温湿度、二氧化碳浓度、氧气浓度、光照强度以及氧气浓度采集和分析。数据采集过程中,软件主程序首先对主控制器进行初始化处理,同时设置无线通信模块频段,自动组建通信网络;将数据信息定义为15个元素的数组,并设置校验位对传感器进行检验,15个数组元素的末位置用来表示传感器工作状态,最后将采集到的数据信息存储于数组当中。图3为农业信息监测系统主程序运行流程图。

图3 农业信息监测系统主程序运行流程图Fig.3 Operation flow chart of main program of agricultural information monitoring system

为保证农业信息监测系统软件运行安全性,网络层数据传输过程中先对所有数据进行加密。图4为LoRaWAN无线通信模块工作流程图。

图4 LoRaWAN无线通信模块工作流程图Fig.4 Work flow chart of wireless communication module of LoRaWAN

农业信息监测系统利用Websocket将信息传输至MySQL数据库,再通过网络界面进行实时数据和曲线显示。Websocket是一种双工通信技术,能够在浏览器和服务器之间进行服务器推送。农业监测系统节点传感器对环境参数进行采集,通过网关上传至LORIOT,用户终端服务器使用Websocket的方式与LORIOT建立通信;当LORIOT接收到网关数据时,用户服务器也同时接收到传感器数据,数据被存入MySQL数据库。图5为农业监测系统数据交互流程图。

图5 农业监测系统数据交互流程图Fig.5 Data interaction flow chart of agricultural monitoring system

4 监测系统软件安全性分析

农业信息监测系统进行数据传输过程中,数据格式为协议帧,在LoRaWAN初始化过程中进行规定,数据帧结构描述如表5所示。

表5 数据帧结构描述Table 5 Data frame structure description

前导码是数据帧的第1部分,用来对接收端进行数据传输引导,前导码可使接收端每休眠一段时间后再进行唤醒,降低系统运行过程中的功耗。数据帧物理头分为显式和隐式两种报头,主要包含物理层载荷长度、纠错码以及循环冗余校验。

当MAC载荷携带传感器数据时,帧载荷数据通过算法加密的方式保证软件运行安全,在默认情况下MAC层对所有的端口进行加密,同时可指定应用层固定端口对数据进行加密。通讯端口加密秘钥如表6所示。

表6 通讯端口加密秘钥Table 6 Communication port encryption key

5 结论

基于通信数据安全与软件技术搭建的精准农业信息监测系统,能够准确稳定地对监测区域内的环境信息进行采集,可为农业生产过程智能化和自动化发展提供自反馈调节技术支持。