基于物聯網技術的農作物病蟲害自動測報系統(tǒng)

陳光絨 李小琴

摘要：介紹了一種基于ZigBee網絡的農作物病蟲害自動測報系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個網關、若干終端分機及計算機信息發(fā)布系統(tǒng)組成，網關安裝有ZigBee模塊（協調器）和GPRS模塊，利用GPRS接收遠端服務器的數據采集或清零指令，并通過ZigBee網絡向終端分機采集數據或實現數據清零功能;終端分機安裝有ZigBee模塊（路由器）和4個誘捕器，每個誘捕器有2路紅外傳感器，檢測進入誘捕器的害蟲，并利用ZigBee網絡與網關進行數據和信息傳遞;同時給出了野外的網關和終端機的供電系統(tǒng)。經實際測試，自動測報系統(tǒng)使用簡單，可靠性好，自動化程度高，對害蟲預報、預警取得了良好的效果，提高了農業(yè)管理的科技含量，為推進農業(yè)數字化、信息化的發(fā)展做了有價值的探索。

關鍵詞：農作物病蟲害;ZigBee網絡;紅外檢測;自動測報

中圖分類號： TP273 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0406-05

收稿日期：2014-12-10

作者簡介：陳光絨（1966—），男，浙江岱山人，碩士，副教授，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、無線傳感網。Tel：（0574）86891332。

農作物病蟲害給農業(yè)生產帶來了極大的危害，輕則使農產品產量減少、質量下降，重則使局部農地顆粒無收，所以加強農作物病蟲害防治具有重要現實意義。目前常用化學、物理機械以及生物技術來防治農作物病蟲害。長期以來，人們習慣用噴灑農藥的化學方法來解決農作物病蟲害問題，由此造成環(huán)境污染、土壤板結等生態(tài)問題[1]。隨著信息技術的發(fā)展，數字農業(yè)的出現，物聯網技術結合物理、生物技術防治病蟲害的方法，不僅可以解決農藥帶來的環(huán)境污染問題，而且大大減少了成本，收到了良好效果[2]。性誘劑是采用物理機械的方法誘殺農作物病蟲害的一種方法，但目前此方法存在病蟲害數目難以統(tǒng)計、人們無法準確掌握病蟲害的分布特性等問題。如讓技術人員到田間去數誘捕器里的害蟲，一方面工作量大，另一方面也不衛(wèi)生。為此研制了一套基于物聯網技術的農作物病蟲害自動測報系統(tǒng)，能自動識別農作物病蟲害的類型、自動統(tǒng)計病蟲害的數量，以及根據這些數據進行預報、預警。

1 系統(tǒng)總體設計方案

系統(tǒng)采用“終端分機（ZigBee路由傳感節(jié)點）+網關（ZigBee協調器+GPRS）+計算機信息發(fā)布系統(tǒng)”的框架[3-4]。框圖如圖1所示。

其中每個ZigBee終端機連4個誘捕器，在誘捕器中安裝傳感器，檢測病蟲害的進入，經數據統(tǒng)計和處理后，將數據顯示在分機的面板上。

同時由ZigBee節(jié)點組成無線網絡，分機和網關組成網絡，自定通信協議，將分機相關信息通過無線網絡傳到網關，由網關轉發(fā)給計算機采集系統(tǒng)。通過計算機上位機的處理，完成數據清零、采集以及記錄號設定等操作，再由計算機信息處理系統(tǒng)完成數據的匯總及分析，并實施短信發(fā)送，做出相應的決策[5-6]。

2 硬件設計

2.1 終端分機硬件設計

根據每個終端需要實現的功能，其硬件電路包括：野外電源供給電路（圖2-a）、CPU及控制電路、無線傳輸電路（ZigBee模塊）、害蟲（紅外）檢測電路4個部分。其中CPU及控制電路包括穩(wěn)壓電路CPU、LCD顯示電路、按鍵電路（圖2-b）。

2.2 終端分機設計

2.2.1 終端分機供電系統(tǒng)設計 終端分機任務是采集所監(jiān)控點的害蟲數量，設備通常固定在野外農田不同位置，采用市電供電難度很大，綜合考慮，采用太陽能電池與電瓶配合給終端分機供電方式[7]。為防止太陽能對電瓶的過充和連續(xù)工作造成過放而損壞電瓶，因此必須采用充放電控制器，也可以用市場上成熟的太陽能充電控制器，這里不再詳細敘述。

2.2.2 終端分機CPU電路及控制電路設計 終端分機的CPU及控制電路內部包括內置穩(wěn)壓電路、CPU電路、LCD顯示電路、按鍵電路。 （1）穩(wěn)壓電路設計?？紤]太陽能和電瓶的成本，要求終端分機系統(tǒng)的電流越小越好，因此電源采用DC-DC轉換電路，選用TD1583（sop8）芯片，輸出電流可達 3 A 時效率為95%，輸出電壓Uo=（1+R1/R2）×1.222[8]。其電路如圖3所示。（2）CPU電路、LCD顯示電路、按鍵電路設計。根據終端分機的功能要求，CPU需要有通信接口、液晶顯示接口、按鈕接口、紅外傳感信號接口（2組），因此選擇STC15W202S，該芯片工作電壓為2.5 V～5 V， 具有很好的抗

干擾能力。為簡化用戶操作，控制器設置了3個按鈕：分別是設置/查看按鈕、+1按鈕、-1按鈕。為降低系統(tǒng)耗電，同時兼顧顯示信息，這里采用1602液晶顯示模塊。具體電路如圖4所示。

2.2.3 無線傳輸電路設計 根據農田監(jiān)控點距離相對近、監(jiān)控點多的特點，無線傳輸采用ZigBee模塊，其最大特點是可以自由組網，只要節(jié)點配置成路由方式，可以將傳輸范圍覆蓋到非常廣范圍，另外根據ZigBee的ID號和信道，可以組建不同的網絡，這給實際應用帶來了極大的便利[9]。考慮系統(tǒng)功能以及擴展需要，ZigBee直接采用透傳模塊，與CPU的串口相連接?；贑PU的5 V供電系統(tǒng)與 ZigBee 的3 V系統(tǒng)不

能直接相連，CPU 的TX端需要分壓獲得與3 V系統(tǒng)匹配的信號電平[10]，具體電路如圖5所示。

2.2.4 害蟲誘捕檢測電路設計 害蟲檢測采用光電（紅外）檢測方式，通過誘捕器結構的特殊設計，使得害蟲進入誘捕器時，因阻擋紅外光而被檢測到，同時為盡量精確測量，設置了相互垂直的1對紅外收發(fā)系統(tǒng)[11]，如圖6所示。

為減少傳感器接入系統(tǒng)的能耗，發(fā)射時采用間歇發(fā)送脈沖方式，也就是每隔300 ms發(fā)射1次頻率為1 kHz、持續(xù)時間為100 ms的脈沖串，通過單片機軟件的特殊處理，不影響對害蟲的正確計數。另外，在面板操作時間外液晶顯示器都處于休眠狀態(tài)。

通過上述設計，電源的效率為75%，如選用12 V、7 A·h 的電瓶，可用8 d多的時間，能滿足系統(tǒng)的要求，而且此電瓶價格較低，也為整個系統(tǒng)設計降低了成本。

2.3 網關部分設計

網關如同終端分機一樣置于野外農田，只不過不直接采集害蟲，它的任務有2個： 其一是定期向所“管轄”的終端分機采集數據;其二是利用GPRS接收來自遠端公司服務器的數據“上傳”和“清零”指令，轉發(fā)給終端分機，并將采集的數據通過GPRS發(fā)回到公司服務器。

為降低用戶今后維護難度，協調器采用CPU+ZigBee模塊+GPRS方式，將這里的ZigBee模塊配置成協調器即可，它在系統(tǒng)中起到組織者的作用：首先負責各個終端分機組網，組網完成后負責數據采集與轉發(fā)。

網關的CPU需要與ZigBee通信，同時又要跟GPRS通信，所以選用STC15W1K32S，該芯片內置3個獨立串行通信口，可以完全滿足系統(tǒng)的要求，當然第3個串口可以預留給Wi-Fi或其他以后需要擴展的通信[12-13]。

網關部分的結構如圖7所示。

具體實現時，CPU的TX端也必須經分壓處理與ZigBee的RX相連。

為考慮今后維護方便，GPRS直接采用工業(yè)級模塊，直接與CPU的串口相連即可，這樣可以隨意“脫卸”，方便故障判斷與維護。

3 軟件設計

3.1 終端分機程序設計

終端分機軟件需要實現的主要功能有：按鍵掃描與功能執(zhí)行、傳感信號發(fā)送與檢測、數據及信息顯示、數據通信。軟件設計上包括初始化函數、循環(huán)執(zhí)行函數以及中斷函數3大部分[14]。 其中初始化部分包括：I/O初始化、定時器初始化、中斷初始化、串口初始化、內置EEPROM初始化、LCD初始化。 循環(huán)執(zhí)行部分包括按鍵掃描、LCD顯示、EEPROM寫（數據修改后寫入）、數據發(fā)送（有發(fā)送標志時發(fā)送）。 中斷部分包括傳感信號中斷、定時器中斷、通信中斷。

下面就部分函數及功能的實現作一說明：

（1）按鍵掃描與執(zhí)行

終端分機內部有1個按鍵，外部給用戶提供3個按鈕。

內部按鍵稱為ID鍵，用來在出廠時給終端分機設定唯一ID號（即身份識別號），ID號包括機器版本號和數字序列，實現過程如下：

按一下此鍵，內部LED顯示燈快閃，此時用專用ID發(fā)生器（自己制作）向終端分機發(fā)送1組5字節(jié)數碼，其中包括1字節(jié)的數據頭、3字節(jié)的ID號（4位版本信息，20位數字序列）和1字節(jié)的校驗碼，終端分機接收此數據序列后將ID號存入EEPROM，作為終端分機的唯一身份識別符。

對外給用戶提供的按鍵有3個，分別是設置/查看鍵、+1鍵、-1鍵。

設置/查看鍵：設置主要是讓用戶設定終端分機的編號（此編號可以跟捕捉的害蟲建立對應關系），按一下此鍵，進入設置界面，顯示機器的編號并處于閃爍狀態(tài)，此時可以通過+1、-1進行編號設置;查看是讓用戶查看當前的捕蟲數量，同一個頁面可以同時顯示4個誘捕器的數據，操作時按1次“設置/查看”鍵進入設置狀態(tài)，再按1次切換到查看狀態(tài)，再按后回復正常。

+1鍵：將閃爍位的數據加1，設置范圍為1～999。

-1鍵：將閃爍位的數據減1，設置范圍為1～999。

按鍵功能執(zhí)行流程如圖8所示。

（2）通信中斷函數

終端分機的串口負責接收ID設置號、網關轉發(fā)的信息，并根據需要發(fā)送數據。其中ID信息設置在按鍵中已經說明，這里給出數據格式，其余不再重復。

數據格式：數據頭（1字節(jié)）、ID號（3字節(jié)） 、校驗（1字節(jié)）

另外，終端分機主要任務是處理從網關轉發(fā)的信息，為確保數據通信可靠，這里指定通信格式：

數據頭（1字節(jié)）、ID號（3字節(jié)） 校驗（1字節(jié)）

串口中斷函數流程如圖9所示，其中省略了ID=2、3、4。

3.2 網關軟件設計

網關如同終端分機一樣置于野外農田，只不過其不直接采集害蟲，它的任務有2個： 其一是定期向所“管轄”的終端分機采集數據;其二是利用GPRS接收來自遠端公司服務器的數據“上傳”和“清零”指令，并將采集的數據通過GPRS發(fā)回到公司服務器或向終端分機發(fā)送數據清零指令[15]。

（1）接收來自服務器的信息

服務器的數據直接通過GPRS發(fā)給網關，數據格式如下：

數據頭（1字節(jié)）、采集或清零指令（1字節(jié)）、終端分機ID號（3字節(jié)）、校驗（1字節(jié)）

其中字節(jié)2中的采集用代碼01、清零用代碼02表示。

終端ID號如果非0，相當于定點采集或清零;如果ID全部為0，相當于廣播（全部終端分機都執(zhí)行）采集或清零指令。

校驗是將數據頭以外的所有字節(jié)“異或”處理，其余檢驗也如此。

（2）接收來自終端分機的信息

網關接收GPRS指令后，將此數據直接轉發(fā)給網絡內的終端分機，分機接收采集指令后將數據發(fā)給網關，數據上傳給網關，如果接收的是清零指令，則清零后作應答。

終端分機回傳的數據格式如下：

數據頭（1字節(jié)）、0x01（代表采集）、終端分機ID號（3字節(jié)）、終端分機編號（1字節(jié)）、誘捕器1數據（2字節(jié)）、誘捕器2數據（2字節(jié)）、誘捕器3數據（2字節(jié)）、誘捕器4數據（2字節(jié)）、校驗（1字節(jié)）

清零后應答數據格式如下：

數據頭（1字節(jié)）、0x02（代表清零）、終端分機ID號（3字節(jié)）、 終端分機編號（1字節(jié)）、0x00 校驗（1字節(jié)）

網關除了數據通信外，另一個主要任務是將定期采集到的數據“依次”存入內部的EEPROM中，根據每個終端分機的數據信息，需要給每個終端分機分配11字節(jié)的存儲單元，如表1所示。

表1 分機11個字節(jié)存儲單元

Id3 Id2 Id1 誘捕器1

高字節(jié) 誘捕器1

低字節(jié) … 誘捕器4

高字節(jié) 誘捕器4

低字節(jié)

根據以上結構可以看出，分機號是一個十分關鍵的數據，知道所要找的分機就能立即找到其所有信息，計算公式如下：

addr=addr0+（number-1）×11;

其中addr是某個分機對應的數據區(qū)起始地址，addr0是總的數據區(qū)起始地址，number是所找分機自身的編號（1～255）。

同樣的，要想獲得某個分機（如編號n）的誘捕器1的數據，可以用下面公式找到數據所在的單元地址：

addr_n _h=addr0+（number-1）×11+3;

addr_n_l=addr0+（number-1）×11+4。

其中，addr_n _h是所找編號為n終端分機誘捕器1數據高字節(jié)所在的存儲單元地址，Addr_n _l是低字節(jié)所在的存儲單元地址。

4 系統(tǒng)測試與功能驗證

啟動計算機系統(tǒng)采集軟件（計算機采集系統(tǒng)設計在此不作介紹），用戶可設定系統(tǒng)的分機編號和目前記錄號，按下“確認”鍵后，進入系統(tǒng)的主界面，系統(tǒng)默認的是COM1口，也可自行設定，其波特率為2 400 b/s。

（1）設置終端分機編號功能測試

軟件可根據需要設置當前的記錄號，可將記錄號設置為1，點擊“設置記錄號”按鈕，則系統(tǒng)自動從1開始依次設置分機記錄號，用戶可從軟件界面中核對是否將某臺ZigBee終端分機的記錄號修改成1。經測試，能正常設置記錄號。

（2）自動采集功能測試

用模擬的辦法讓某臺ZigBee終端分機（如5號）進行計數，當用模擬的辦法使第3個誘捕器為3時，在軟件可看到4個誘捕器的害蟲數分別為0、0、3、0（軟件用“節(jié)點”表示），記錄此數據。

設置“自動采集時間”，比如PM15：00，將計算機的時間修改為PM14：59，待時間到PM15：00時，觀察采集的數據。如圖10所示，5號分機的數據被采集，經觀察，此數據與實際記錄的數據一致。

采集后，記錄號自動加1，與設計思想一致。

5 總結

本系統(tǒng)設計后，經現場使用測試，數據通信正常，網絡穩(wěn)定性好，系統(tǒng)能比較準確地測量害蟲的數量，為害蟲預警、預報提供現場第一手數據，為農業(yè)管理現代化提供了很好的解決方案。

由于能力有限，本系統(tǒng)還有些不完善的地方，需要不斷改進，我們認為在以下幾個方面還可進一步研究：

（1）研究一種圖像識別的方法，能檢測更小的病蟲害，檢測范圍更大[14]。

（2）在距離超過100 m的終端分機之間單獨放置路由器，以實現更好的網絡全覆蓋。

（3）研究數據分析軟件，可通過數據得出趨勢分析，提供更有效的測報信息，通過網絡發(fā)送給執(zhí)行人員和有關職能部門，從而為農業(yè)數字信息化做出樣板工程[15]。

參考文獻：

[1]宗長全. 農作物病蟲害防治技術探討[J]. 河南科技，2014（16）：166-167.

[2]趙明華. 農作物病蟲害綜合防治技術[EB/OL]. [2014-10-20]. http：//mc.mofcom.gov.cn/news/P1P65313119991254.hlml.

[3]王權平，王 莉. ZigBee技術簡析[J]. 通信世界，2003（4）：41-43.

[4]徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等. 基于ZigBee和GPRS的遠程水質監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現[J]. 江蘇農業(yè)科學，2013，41（3）：328-331.

[5]于海洋，劉艷梅，董燕生，等. 基于空間信息的農作物苗情監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 農業(yè)現代化研究，2013，34（2）：253-255.

[6]李雪剛，黃夢醒，朱東海. 基于物聯網技術的遠程農田監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 計算機工程，2012，38（17）：20-23.

[7]張舟云，徐國卿，沈祥林. 無源濾波器在開關電源中的應用分析[J]. 電力電子技術，2004，38（5）：45-47，68.

[8]張煥新. 電源的抗干擾設計[C]//中國空間科學學會. 中國空間科學學會空間探測專業(yè)委員會第十八次學術會議論文集：上冊.北京：中國空間科學學會，2005：315-320.

[9]張 婕. 無線傳感器網絡[J]. 中國數據通信，2005（6）：45-48.

[10]Werner-Allen G，Lorinez K，Ruiz M，et al. Deploying a wireless sensor network on an active volcano[J]. IEEE Internet Computing，2006，10（2）：18-25.

[11]Chintalapudi K，Fu T，Paek J，et al. Monitoring civil structures with a wireless sensor network[J]. IEEE Internet Computing，2006，10（2）：26-34.

[12]Choi P，Park H C，Kim S，et al. An experimental coin-sized radio for extremely low-power WPAN （IEEE 802.15.4） application at 2.4 GHz[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits，2003，38（12）：2258-2268.

[13]呂昭智，沈佐銳，程登發(fā)，等. 現代信息技術在害蟲種群密度監(jiān)測中的應用[J]. 農業(yè)工程學報，2005，21（12）：112-115.

[14]于鳳榮，杜國明，薛 劍，等. 黑龍江省墾區(qū)大豆和玉米重迎茬遙感監(jiān)測研究[J]. 農業(yè)現代化研究，2013，34（2）：248-250.

[15]賈科利，張俊華.信息農業(yè)現狀與發(fā)展趨勢[J]. 西北農林科技大學學報：社會科學版，2003，3（6）：13-17.