基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)研究與設(shè)計

馬仟+田茂+唐文龍

摘 要：為解決傳統(tǒng)殺蟲的無人看管模式和低效率的人工維護等問題，文中設(shè)計了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由太陽能殺蟲燈控制器、環(huán)境檢測模塊、攝像頭模塊OV2640、GPRS無線傳輸模塊、ZigBee無線組網(wǎng)模塊和后臺監(jiān)控中心六大部分組成。與傳統(tǒng)殺蟲燈相比，它不僅能實現(xiàn)市面上殺蟲燈最基本的殺蟲功能，還可以實時采集殺蟲燈的工作環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及捕捉現(xiàn)場殺蟲的圖片，并能將數(shù)據(jù)和圖片通過無線通信模塊遠程傳輸?shù)胶笈_監(jiān)控中心的新型智能化殺蟲燈控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：圖像采集；GPRS無線傳輸；ZigBee無線組網(wǎng)；環(huán)境檢測

中圖分類號：S477；TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

傳統(tǒng)的農(nóng)田滅蚊蟲裝置大都分布在地域廣闊的農(nóng)村，這種裝置只能簡單殺死蚊蟲，它不僅需要人工到達現(xiàn)場去查看滅蟲效果并檢測設(shè)備是否正常，還無法實時反饋現(xiàn)場信息，不能在環(huán)境惡劣的情況下對滅蟲裝置進行自動化管理，且設(shè)備設(shè)計與管理無法適應(yīng)野外惡劣環(huán)境，也沒有建立后臺數(shù)據(jù)中心，無法進行數(shù)據(jù)分析與挖掘。系統(tǒng)的效能沒有最大化，無法適應(yīng)目前我國農(nóng)業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

如今市場上的農(nóng)田殺蟲燈大多采用獨立工作模式，這種實現(xiàn)方式存在諸多弊端，如殺蟲點少、殺蟲范圍小、殺蟲點固定不可移動、維護工作量大、不能實現(xiàn)自動監(jiān)測和管理等。本文為了解決傳統(tǒng)殺蟲燈設(shè)備存在的缺點，提出了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要多點分布在農(nóng)田的各個角落，通過這種多點配合式的殺蟲模式可以靈活控制整個殺蟲系統(tǒng)，從而達到最優(yōu)的殺蟲效果。采集的數(shù)據(jù)信息可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_信息中心，方便工作人員對其進行管理。這使得整個殺蟲燈控制系統(tǒng)變得可視化和網(wǎng)絡(luò)化，從而讓農(nóng)田管理變得更加簡單化和智能化。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)主要由分布式終端節(jié)點、分布式路由節(jié)點、網(wǎng)關(guān)模塊和監(jiān)控中心四大部分組成。

（1）分布式終端節(jié)點包含多個終端節(jié)點，每一個終端節(jié)點都是一個太陽能殺蟲燈控制器，其主要用于數(shù)據(jù)的采集和對殺蟲燈的控制；

（2）分布式路由節(jié)點包含了多個路由節(jié)點，每一個路由節(jié)點都具備終端節(jié)點的功能，不僅能實現(xiàn)終端節(jié)點中的功能，還能中繼或路由其他終端節(jié)點的采集信息和控制信息，起到數(shù)據(jù)過渡作用；

（3）網(wǎng)關(guān)模塊主要由微處理器控制電路、ZigBee協(xié)調(diào)器模塊和GPRS模塊及攝像頭模塊組成，它是一個數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，用于將ZigBee模塊采集的數(shù)據(jù)信息和攜帶的控制信息通過GPRS模塊傳輸出去；

（4）后臺信息中心用于存儲采集到的數(shù)據(jù)和控制信息，并通過網(wǎng)頁實現(xiàn)在線訪問。

該系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件模塊主要包括太陽能殺蟲燈控制模塊、ZigBee無線組網(wǎng)模塊、GPRS模塊、攝像頭模塊和環(huán)境檢測模塊。其系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用OV2640，其原理圖如圖3所示。該模塊具有體積小、工作電壓低、兼容I2C總線接口、支持圖像縮放、鏡頭失光補償、提供單片機UXGA攝像功能等特點，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。該模塊主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)對現(xiàn)場殺蟲畫面的實時捕捉，并通過分析害蟲的數(shù)量和種類來實時調(diào)整殺蟲燈的工作時間，以此來提高殺蟲效率。

2.2 GPRS無線傳輸模塊

GPRS無線傳輸模塊采用SIM900A集成模塊，其原理圖如圖4所示。其主要功能有語音通話、短信收發(fā)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)、彩信收發(fā)，主要應(yīng)用在通訊領(lǐng)域，如移動電話、遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控、短信提醒發(fā)送。該模塊可以將攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)和傳感器檢測到的環(huán)境參數(shù)通過GPRS模塊以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸方式傳給監(jiān)控中心。

2.3 ZigBee無線組網(wǎng)模塊

ZigBee無線組網(wǎng)模塊采用CC2530，其原理圖如圖5所示。該模塊具有功耗低、體積小、抗干擾能力強、組網(wǎng)方式靈活多變，實現(xiàn)過程簡單、安裝方便等優(yōu)點。該無線組網(wǎng)模塊實現(xiàn)了在某農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集傳輸功能，它可以根據(jù)現(xiàn)場的實際情況和需求，靈活分布在農(nóng)田的各個位置，實現(xiàn)了定時、定點的多組配合式殺蟲，這種殺蟲模式可以靈活調(diào)整殺蟲燈的開啟時間，提高整體殺蟲的效果。

2.4 太陽能殺蟲燈控制模塊

太陽能殺蟲燈控制模塊主要由微處理器核心模塊、蓄電池充放電控制模塊、負(fù)載輸出模塊、充放電保護電路、負(fù)載保護電路等組成。其電路原理圖如圖6所示

2.5 環(huán)境檢測模塊

環(huán)境檢測模塊使用溫度傳感器DS18B20、濕敏傳感器HR202等檢測模塊，該模塊可以用來檢測太陽能殺蟲燈周圍的溫濕度、是否下雨等環(huán)境情況，從而解決控制器因溫度過高或者進水短路等自然因素造成的工作異常問題。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 通信協(xié)議

在本系統(tǒng)中，分布式終端節(jié)點、分布式路由節(jié)點和網(wǎng)關(guān)模塊之間的通信主要采用ZigBee協(xié)議。該協(xié)議建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），而ZigBee 聯(lián)盟則定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）和安全服務(wù)規(guī)范。

在網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心間主要采用TCP/IP協(xié)議，它是Internet的基礎(chǔ)協(xié)議，也是一種電腦數(shù)據(jù)打包和尋址的標(biāo)準(zhǔn)方法。該協(xié)議棧主要包括鏈路層（網(wǎng)絡(luò)接口層）、網(wǎng)絡(luò)層（互聯(lián)網(wǎng)層）、傳輸層和應(yīng)用層四部分。對普通用戶來說，并不需要了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整個結(jié)構(gòu)，僅需了解IP的地址格式即可與世界各地進行網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2 軟件流程設(shè)計

軟件流程設(shè)計框圖如圖7所示。

4 結(jié) 語

本文針對農(nóng)業(yè)殺蟲效果和環(huán)境監(jiān)控對實時性、連續(xù)性、長期性、靈活性要求較高且范圍大的特點，提出了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee-GPRS相結(jié)合的遠程無線傳輸方式，將ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)的殺蟲燈狀態(tài)和采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過GPRS無線模塊采取TCP/IP方式傳輸?shù)胶笈_信息中心，同時將這些數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的存儲和處理并返回給殺蟲燈控制器終端，從而起到分布式遠程監(jiān)測和控制的作用。

由于采用了分布式網(wǎng)絡(luò)殺蟲策略，可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況隨時調(diào)整殺蟲方式，靈活調(diào)整殺蟲燈的開啟時間，達到分布式殺蟲的效果，使其變得更靈活、更高效，同時也可以改變誘光燈光源的變化，達到定向殺蟲的目的，減少對有益昆蟲的殺害。

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