蒲 哲，朱名日

(桂林電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

甘蔗作為主要制糖原料，并且能夠提煉乙醇作為替代能源，在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物中占有重要地位，其產(chǎn)量和產(chǎn)值僅次于糧食、油料和棉花，居第4位。但是近幾年隨著甘蔗耕種面積的擴(kuò)大，栽培技術(shù)的落后，使甘蔗畝產(chǎn)量有所降低。在澳大利亞，甘蔗生產(chǎn)已基本實(shí)現(xiàn)了種植，以及甘蔗的收割、運(yùn)輸?shù)攘鞒倘坑捎?jì)算機(jī)控制達(dá)到信息化管理，對甘蔗種植進(jìn)行科學(xué)的管理是十分有價(jià)值的。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將大量傳感器節(jié)點(diǎn)組建成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過采集的信息，幫助蔗農(nóng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，使整個(gè)生產(chǎn)過程以信息和軟件為主，從而達(dá)到科學(xué)管理的目的。

WPF是微軟下一代顯示系統(tǒng)，用于生成能給用戶帶來更好的視覺體驗(yàn)的Windows客戶端應(yīng)用程序。WPF的核心是一個(gè)與分辨率無關(guān)并且基于向量的呈現(xiàn)引擎，旨在利用現(xiàn)代圖形硬件的優(yōu)勢。WPF中使用XAML(Extensible Application Markup Language)標(biāo)記實(shí)現(xiàn)程序外觀的設(shè)計(jì)［1］。作為WPF跟MVP(Model-View-Presenter)結(jié)合演變過來的新型框架MVVM，能很好地應(yīng)用WPF的綁定特性，做到界面開發(fā)和業(yè)務(wù)邏輯分離，使系統(tǒng)功能模塊化，提高代碼重用率［2］?；谝陨霞夹g(shù)開發(fā)了基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的甘蔗種植管理系統(tǒng)的后臺(tái)管理軟件，其中WPF技術(shù)使軟件界面設(shè)計(jì)更加便捷、美觀。

MVVM框架的應(yīng)用使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理，提高了系統(tǒng)的可測試性，系統(tǒng)也具備良好的可擴(kuò)展性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的模塊化，代碼的可重用性，采用MVVM框架完成開發(fā)。系統(tǒng)框架中視圖(View)層是系統(tǒng)頁面的顯示，在視圖模型(ViewModel)層中包含為視圖準(zhǔn)備的表示模型和控制邏輯，View與ViewModel之間通過綁定(Binding)連接，實(shí)現(xiàn)交互;模型(Model)層中包括業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)訪問，在業(yè)務(wù)模型中定義了數(shù)據(jù)實(shí)體模型和業(yè)務(wù)邏輯;數(shù)據(jù)訪問層(Data Access Layer)運(yùn)用NHibernate完成對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射，把對象持久化到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫則提供數(shù)據(jù)源，管理系統(tǒng)中生成的數(shù)據(jù)?？傮w框架如圖1所示。

圖1 甘蔗種植管理系統(tǒng)總體框架圖

1.2 系統(tǒng)功能模塊

通過需求分析，本系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃楦收岱N植地圖模塊、采集數(shù)據(jù)查詢模塊、田地信息管理模塊、種植戶管理模塊、用戶管理模塊、病蟲害防治模塊、設(shè)備配置模塊。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

各模塊具體功能如下。

(1)甘蔗種植地圖模塊。

此模塊功能是運(yùn)用Google Map API與WPF結(jié)合實(shí)現(xiàn)甘蔗種植地理信息查詢功能?？赏ㄟ^GPS坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示種植區(qū)域和無線節(jié)點(diǎn)位置。該模塊還具有天氣查詢功能，可查看當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r，包括溫度、濕度、風(fēng)速、未來幾天天氣狀況等天氣信息。

(2)采集數(shù)據(jù)查詢模塊。

此模塊可實(shí)現(xiàn)按具體時(shí)間范圍來查詢田地里的土壤因子信息，包括有效氮(N)、有效磷(P)、有效鉀(K)的含量，土壤濕度，還可查看甘蔗的糖濃度信息，可以查詢歷史數(shù)據(jù)，并生成Excel表格。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

(3)田地信息管理模塊。

此模塊功能是可查詢每塊田地的具體信息，如田地編號(hào)、土地類型、土壤種類、甘蔗品種、種植時(shí)間、生長周期、灌溉方式、施肥狀態(tài)等。查看每塊田地甘蔗總體長勢情況，為下一步管理種植甘蔗工作提供依據(jù)。

(4)種植戶管理模塊。

此模塊功能可實(shí)現(xiàn)對種植戶信息的管理，錄入新的種植戶信息，如姓名、性別、聯(lián)系電話、聯(lián)系地址、照片、擁有田地等。當(dāng)甘蔗出現(xiàn)問題時(shí)可快速聯(lián)系到種植戶。對種植戶信息進(jìn)行查詢、修改、刪除操作。

(5)用戶管理模塊。

此模塊完成對管理員、用戶的管理。管理員可新添加用戶相關(guān)的信息，也可對其修改和刪除。

(6)病蟲害防治模塊。

此模塊功能是可查詢跟甘蔗病蟲害有關(guān)信息，并能了解如何防治如黑穗病、鳳梨病、甘蔗蚜蟲等病蟲害，也可通過輸入甘蔗病蟲害信息，來判斷甘蔗到底屬于哪種病害，對癥下藥。

(7)設(shè)備配置模塊。

此模塊功能是配置相關(guān)串口信息與下位機(jī)相連，也可通過串口發(fā)送命令控制下位機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)上傳無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息［3］。

2 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)采用Windows+Visual Studio 2010+SQL Server 2008的方案，開發(fā)語言采用C#語言，前臺(tái)頁面選用 Expression Blend 4 設(shè)計(jì) XAML［4］，運(yùn)用 MVVM Light Toolkit幫助在系統(tǒng)中具體實(shí)現(xiàn)MVVM框架［5］，運(yùn)用NHibernate實(shí)現(xiàn)對象與數(shù)據(jù)庫的映射。

3 MVVM設(shè)計(jì)模式在系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 MVVM 介紹

Model-View-ViewModel(MVVM)是一種用于軟件工程中的架構(gòu)模式，可以說是一種量身定制的幫助開發(fā)WPF或Silverlight程序的框架［6］。MVVM優(yōu)化了WPF帶來的一些新特性，如綁定、依賴屬性(Dependency Property)、路由事件 (Routed Events)、命令(Commands)、模板(Template)等。MVVM能夠使程序的業(yè)務(wù)邏輯與用戶界面分離，讓開發(fā)者與界面設(shè)計(jì)人員能更加容易地相互協(xié)作，也能夠使程序更加容易測試、維護(hù)與升級(jí)［7］。

模型處于框架中的底層部位，它封裝了數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)邏輯，也支持?jǐn)?shù)據(jù)的訪問和存儲(chǔ)。在甘蔗種植管理系統(tǒng)中，模型用來管理系統(tǒng)中需要的數(shù)據(jù)模型和系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯流程，還可通過NHibernate與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行交互。

視圖模型是MVVM框架中的核心部分，主要包含了屬性、命令、事件等。其中屬性是View中數(shù)據(jù)的來源，屬性可以是一個(gè)對象，也可以是一個(gè)集合，它可以通過綁定連接到View中的控件，并且綁定還支持傳輸?shù)揭晥D的數(shù)據(jù)的輸入驗(yàn)證。命令則用于根據(jù)View中用戶的輸入，做出相應(yīng)的判斷，也可以通過綁定連接到View中。在甘蔗種植管理系統(tǒng)中，當(dāng)用戶操作系統(tǒng)發(fā)出命令時(shí)，首先是通過在View中綁定的命令，把用戶需求傳送到ViewModel中，然后在View-Model中根據(jù)需求內(nèi)容到相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型中獲取數(shù)據(jù)。

視圖可以說是系統(tǒng)的界面，用戶可以通過顯示的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行操作。例如本系統(tǒng)中采集數(shù)據(jù)查詢界面可以查詢相關(guān)采集的數(shù)據(jù)信息，該界面就是一個(gè)視圖，系統(tǒng)中的視圖是依靠XAML創(chuàng)建的。

MVVM框架最主要的目的是為了視圖與模型的分離，分離后便于后期在原先的功能上進(jìn)行擴(kuò)展和維護(hù)，當(dāng)視圖發(fā)生變化時(shí)視圖模型與模型并不需要改動(dòng)，而且可以應(yīng)用Expression Blend 4軟件對視圖界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)周期［8］。

3.2 MVVM之間的交互

下面詳細(xì)說明模型、視圖模型、視圖之間的信息是如何交互的。MVVM框架中模型、視圖模型、視圖相互關(guān)系如圖3所示。

為了分公司的生產(chǎn)經(jīng)營，王經(jīng)理有一半時(shí)間在外面跑，學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)、訪問業(yè)主、檢查工地、匯報(bào)工作……為了趕時(shí)間，他經(jīng)理把飛機(jī)和火車定在晚間，有時(shí)候連續(xù)幾天下來，同行的小伙子都有些吃不消，他卻依舊精神抖擻，一有空閑，不是組織摜蛋，就是打籃球，很多時(shí)候堅(jiān)持打個(gè)全場，仿佛自己還是那個(gè)英姿少年，灌籃高手。

圖3 模型、視圖模型、視圖之間交互圖

模型、視圖模型、視圖可以很容易地通過數(shù)據(jù)綁定、命令、數(shù)據(jù)驗(yàn)證相互交互［9］:

(1)數(shù)據(jù)綁定(Data Binding)。

數(shù)據(jù)綁定是MVVM框架中很重要的一部分，由于WPF提供了數(shù)據(jù)綁定這個(gè)新特性，在設(shè)計(jì)View-Model和Model時(shí)同樣支持?jǐn)?shù)據(jù)綁定［10］。當(dāng)生成類時(shí)，可以應(yīng)用INotifyPropertyChanged接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綁定，假如屬性為集合時(shí)，也可以應(yīng)用ObservableCollection＜T＞來聲明類。通過數(shù)據(jù)綁定可以實(shí)現(xiàn)View與ViewModel和Model之間屬性的交互。

(2)命令(Commands)。

命令可以提供數(shù)據(jù)在View上的編輯和顯示，在ViewModel中可以為用戶定義操作或行為動(dòng)作的命令。命令也可以綁定到View中的控件上，但是在ViewModel中定義命令時(shí)需要實(shí)現(xiàn)ICommand接口。

(3)數(shù)據(jù)驗(yàn)證(Data Validation)。

4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1 MVVM Light的運(yùn)用

MVVM Light Toolkit可以快速地在項(xiàng)目中具體實(shí)現(xiàn)MVVM設(shè)計(jì)模式。MVVM Light Toolkit可以安裝到Visual Studio中并提供開發(fā)MVVM項(xiàng)目模板和代碼段。在MVVM Light庫中也包含一些幫助開發(fā)程序的類，例如ViewModelBase類用于在ViewModel中實(shí)現(xiàn)RaisePropertyChanged(通知屬性更改)、IsDesign-Mode(判斷是否是 Blend設(shè)計(jì)模式)等基本功能。RelayCommand類實(shí)現(xiàn)MVVM中命令的生成，并通過Execute執(zhí)行委托生成的方法對事件進(jìn)行處理。Messenger類通過Send＜T＞泛型方法和Register＜T＞泛型方法實(shí)現(xiàn)不同頁面和窗體間的參數(shù)傳遞問題。

在甘蔗種植管理系統(tǒng)中，當(dāng)把用戶信息屬性綁定到View頁面中，并發(fā)生更改通知Model時(shí)，運(yùn)用MVVM Light Toolkit中ViewModelBase類可實(shí)現(xiàn)其過程，相關(guān)代碼如下:

用戶執(zhí)行查詢數(shù)據(jù)命令時(shí)，通過綁定到View頁面中的SearchCommand命令來進(jìn)行事件的處理。命令的實(shí)現(xiàn)可通過RelayCommand類實(shí)現(xiàn)，相關(guān)代碼如下:

在用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，需要判斷用戶是否登錄成功以便是否要彈出主窗體時(shí)，運(yùn)用Messenger類可以實(shí)現(xiàn)從登錄頁面往主頁面?zhèn)鬏斒欠竦卿洺晒Φ膮?shù)，相關(guān)代碼如下:

4.2 NHibernate數(shù)據(jù)持久化

NHibernate是面向.NET環(huán)境的對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射工具［12］。對象/關(guān)系數(shù)據(jù)庫映射(Object/Relational Mapping，ORM)用來把對象模型表示的對象映射到基于SQL的關(guān)系模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中去。NHibernate從數(shù)據(jù)庫底層把.NET對象持久化到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，還能自動(dòng)生成SQL語句，減少程序開發(fā)時(shí)人工處理ADO.NET和SQL語句的時(shí)間。

在甘蔗種植管理系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)通過NHibernate把田地信息對象持久化到數(shù)據(jù)庫中為例，實(shí)現(xiàn)過程如圖4所示。

圖4 NHibernate設(shè)置步驟圖

(1)在項(xiàng)目App.config中配置 NHibernate連接節(jié)點(diǎn)信息，例如數(shù)據(jù)庫連接字符，生成IDbCommands對象的超時(shí)時(shí)間等信息。主要代碼如下:

(2)在數(shù)據(jù)庫中構(gòu)建田地信息(Area)表，包括田地編號(hào)、田地名稱、田地類型、種植時(shí)間等信息。

(3)在項(xiàng)目中聲明需要被持久化的Area類。代碼如下:

(4)配置持久化Area對象屬性的映射文件Area.hbm.xml。其中class屬性中 lazy賦值為true可使用延遲加載，主鍵id設(shè)為AreaID，其余屬性按照數(shù)據(jù)庫中聲明依次設(shè)定。主要代碼如下:

(5)在數(shù)據(jù)訪問層中調(diào)用NHibernate API實(shí)現(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)庫基本功能。相關(guān)代碼如下:

4.3 Google Map與WPF結(jié)合

Google Map是Google公司提供的電子地圖服務(wù)，可以通過提供的Google Map API二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)甘蔗種植地圖管理模塊。運(yùn)用Google Map JavaScript API v3［13］創(chuàng)建甘蔗種植地理位置地圖，通過坐標(biāo)在地圖上Marker標(biāo)記出無線節(jié)點(diǎn)位置和運(yùn)用Polygon多邊形標(biāo)識(shí)出甘蔗種植區(qū)域面積。運(yùn)用其他API實(shí)現(xiàn)地圖放大、縮小，選擇種植點(diǎn)功能。

WPF中WebBrowser可以把Google Map的HTML文件加載到程序中。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)Google Map與WPF交互時(shí)，WPF需要調(diào)用HTML文件中JavaScript。以往需要運(yùn)用COM組件MSHTML時(shí)，并不是每臺(tái)計(jì)算機(jī)都安裝MSHTML。這時(shí)可以應(yīng)用WebBrowser中InvokeScirpt方法調(diào)用HTML中JavaScript方法，例如:

if(webBrowser1.Document!=null){

webBrowser1.InvokeScript(“togglePlant”);}//顯示種植區(qū)域

5 系統(tǒng)界面實(shí)例

采用MVVM框架幫助解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中耦合度的問題，實(shí)現(xiàn)頁面與業(yè)務(wù)邏輯分離，使在設(shè)計(jì)頁面時(shí)可同時(shí)編寫后臺(tái)代碼，更改頁面時(shí)也無需變動(dòng)后臺(tái)代碼［14］。采用WPF中的控件模板(Template)和樣式(Style)對原有的控件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便清晰直觀地顯示數(shù)據(jù)，方便用戶操作。部分運(yùn)行頁面如甘蔗種植地圖管理頁面、田地管理頁面、病蟲害管理頁面分別如圖5、圖6、圖7所示。

6 結(jié)束語

經(jīng)過單元測試，系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對采集的信息和種植甘蔗相關(guān)信息管理的設(shè)計(jì)目的。用戶可以方便地查詢信息，對甘蔗的生長狀態(tài)有全面的了解。MVVM框架的應(yīng)用也使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程更加規(guī)范，通過 Model、View、View Model之間的交互實(shí)現(xiàn)了界面設(shè)計(jì)與后臺(tái)邏輯代碼的分離，NHibernate封裝了對象與數(shù)據(jù)庫之間的交互，建立了一個(gè)易于維護(hù)，便于測試，有良好的擴(kuò)展性的應(yīng)用系統(tǒng)。

圖5 甘蔗種植地圖頁面圖

圖6 田地管理頁面圖

圖7 病蟲害管理頁面圖

［1］劉鐵錳.深入淺出WPF［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［2］程國雄，胡世清.基于Silverlight的RIA系統(tǒng)架構(gòu)與設(shè)計(jì)模式研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(8):1706-1709，1713.

［3］陳荔，張菁.基于串口自定義協(xié)議傳輸文件的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22(2):45-48.

［4］Dino Esposito，Andrea Saltarello.Microsoft.NET:Architecting Applications for the Enterprise［M］.Microsoft Press，2010.

［5］Laurent Bugnion.MVVM Light Toolkit［EB/OL］.http://www.galasoft.ch/mvvm，2012-12-10.

［6］Jarnjak F.Flexible GUI in robotics applications using Windows presentation foundation framework and model view viewmodel pattern［C］//Proceedings of the 4th International Conference on New Trends in Information Science and Service Science.2010:176-179.

［7］Gao Beibei，Zhang Shudong，Yao Naiming.A multidimensional pivot table model based on MVVM pattern for rich Internet application［C］//Proceedings of the 2012 International Symposium on Computer，Consumer and Control.2012:24-27.

［8］程國雄，胡世清.數(shù)字化圖書及英語交互學(xué)習(xí)RIA平臺(tái)的研究［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2010，31(13):3103-3107.

［9］Josh Smith.WPF Apps with the Model-View-ViewModel Design Pattern［EB/OL］.http://msdn.microsoft.com/enus/magazine/dd419663.aspx，2009-02-28.

［10］John Papa.Data Binding in WPF［EB/OL］.http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163299.aspx，2007-12-05.

［11］［美］Matthew MacDonald.WPF編程寶典:C#2010版［M］.王德才譯.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［12］傅棋燦，史浩山.基于Linq to NHibernate數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微型電腦應(yīng)用，2010，26(12):44-46.

［13］Google.Google Maps JavaScript API V3 Reference［EB/OL］.https://developers.google.com/maps/documentation/javascript/reference?hl=zh-CN，2013-05-30.

［14］Dino Esposito，Andrea Saltarello.Microsoft.NET 企業(yè)級(jí)應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:人民郵電出版社，2010.