基于物聯(lián)網(wǎng)的蔬菜病蟲害實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

唐雅娜

（廣州軟件學(xué)院，廣東廣州 510990）

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展速度增加，病蟲害的防治變成了一個不容忽視的問題。因此，開展病蟲害防治迫在眉睫。實施病蟲害防治需要掌握病蟲害的組成，根據(jù)當(dāng)前病蟲害種類和生物生態(tài)特點來進行防治[1]。在病蟲害防治方面，需要徹底提高農(nóng)田的防控水準(zhǔn)，將最新研發(fā)的監(jiān)測技術(shù)和病蟲害處理方法應(yīng)用其中，從傳統(tǒng)的人工調(diào)查到病蟲害綜合防治，都需要高級監(jiān)測人工調(diào)查和計算機模擬相結(jié)合，再向計算機模擬過渡。在預(yù)測結(jié)果的要求上，需要進行專項預(yù)測，才能達(dá)成更好的效果。因此，需要基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計新的蔬菜病蟲害監(jiān)測系統(tǒng)來有效防治病蟲害，改善生態(tài)環(huán)境，適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展[2]。

1 硬件設(shè)計

1.1 CC2430 芯片

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，部分可以保持性能的單片機出現(xiàn)了其中以TI 公司開發(fā)的CC2430無線單片機為突出代表。該單片機與ZigBee2006 協(xié)議棧相結(jié)合，來滿足檢測需求。CC2430 單片機是最具競爭力的單片機[3]。CC2430 保持了CC2420 特點，其具有2 個串口，因此將CC2430單片機用在本文設(shè)計的系統(tǒng)中，來保證系統(tǒng)的性能。

1.2 濕溫度傳感器

防蟲智能傳感器系統(tǒng)的傳感器節(jié)點應(yīng)實現(xiàn)采集溫濕度以及其他需要采集的類目關(guān)系，因此本系統(tǒng)選取了指定的濕溫度傳感器，該傳感器不僅可以檢測濕溫度，還能對目前的光照強度進行監(jiān)測。由于組成該傳感器的元件靈敏度高，因此其在溫度傳感和信息采集方面有很高的準(zhǔn)確度，經(jīng)校準(zhǔn)后設(shè)置其輸出數(shù)據(jù)的指定進制數(shù)目，除此之外將濕度與溫度數(shù)據(jù)整合，均可以用該傳感器輸出。

1.3 光照傳感器

病蟲害實時監(jiān)控系統(tǒng)中還需要額外配置光照傳感器，來實時監(jiān)測此時監(jiān)測區(qū)域的光照強度，其還有光強的功能，本文設(shè)計的系統(tǒng)采用On9658F 光照傳感器，其具有可見光強和采集光強的優(yōu)勢。根據(jù)On9658 的結(jié)構(gòu)與功能的特異性，為其專門加入濾光片，目的是提高該光照傳感器的抗干擾性能，降低誤碼率，其還填充了納米材料，具有良好的光學(xué)過濾效果。

2 軟件設(shè)計

2.1 搭建實時監(jiān)控平臺開發(fā)環(huán)境

在實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，需要利用協(xié)調(diào)器來搭建實時監(jiān)控平臺開發(fā)環(huán)境，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機后需要預(yù)先檢測此時的風(fēng)險范圍，檢測使用GPRS 技術(shù)，將風(fēng)險的范圍逐一劃分后才能進行下一步操作。環(huán)境采集需要在指定網(wǎng)絡(luò)中加入設(shè)計的預(yù)測節(jié)點，利用該節(jié)點收集此時的環(huán)境信息，實現(xiàn)環(huán)境采集[4]。此時使用指定的參數(shù)進行無線傳輸。由于采集環(huán)境需要核對采集的數(shù)據(jù)是否在監(jiān)控范圍內(nèi)，因此需要提前確定采集中需要使用的參數(shù)，這些參數(shù)是由IAR Embedded Workbench 程序編譯并輸出的。集成開發(fā)環(huán)境必須采用ZigBee模塊的ZigBee2006 協(xié)議棧，其開發(fā)環(huán)境必須基于Embedded 來調(diào)試。 Embedded 允許在調(diào)試時輸入其他選項，其支持空間大多在8 位數(shù)或16 位數(shù)左右[5]。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建構(gòu)建病蟲害實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

實現(xiàn)病蟲害實時監(jiān)測，必須要利用網(wǎng)絡(luò)中的實時監(jiān)控節(jié)點，這些節(jié)點作為連通的橋梁實時傳遞監(jiān)控到的病蟲害信息，因此本系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上選取兩種不同形狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用作實時監(jiān)控節(jié)點的連接。這些監(jiān)控節(jié)點不僅可以傳遞信息，而且還有通訊的作用，因此，每個監(jiān)控節(jié)點必須有專屬的IP 地質(zhì)，根據(jù)特殊的IP 地址來構(gòu)建合理的實時監(jiān)控方案，建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

如圖1 所示，圖中顯示的各個節(jié)點都經(jīng)過了逐層分化，每個節(jié)點都會進行統(tǒng)一分組，影像組的網(wǎng)絡(luò)地址不同，每個節(jié)點的地址都具有特異性。每個節(jié)點所處的網(wǎng)絡(luò)地址需要進行預(yù)先規(guī)劃，將整個網(wǎng)絡(luò)中的地址分解劃分，一般配備十六個地址，其固定值為0-0000。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成時，由于每個節(jié)點都有來自上級的分化和來自下級的分化，因此在網(wǎng)絡(luò)分配時往往十分麻煩，需要選用Z-Stack 協(xié)議來進行基礎(chǔ)分配，常規(guī)的分配網(wǎng)址有8 組，其均按照指定協(xié)議來劃分，劃分網(wǎng)絡(luò)地址后，將各個地址逐一分發(fā)，保證整個流程的運行完整度。

2.3 篩選計算機監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊主要利用ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)來進行篩選，組網(wǎng)技術(shù)適用于小范圍通信中，具有協(xié)議緊湊，能耗低的優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)篩選方面，主要運用Zig Bee 組網(wǎng)技術(shù)進行不同節(jié)點之間的通信。Zig Bee 是一種短距離的低速無線傳輸協(xié)議，其中每個Zig Bee模塊都相當(dāng)于一個縮小了無數(shù)倍的移動基站，不同的是，Zig Bee 的傳輸距離遠(yuǎn)小于移動基站。在有效范圍內(nèi)，每個Zig Bee模塊間可進行相互通信，可將某個Zig Bee 模塊設(shè)為路由節(jié)點，通過其實現(xiàn)Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，有效采集并監(jiān)測數(shù)據(jù)。

第一步就是采集檢測模塊的相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)采集后需要經(jīng)過安全的通道進行初次傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要根據(jù)實時監(jiān)控的情況作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，從而成功地被開發(fā)平臺采集。病蟲害防治智能傳感系統(tǒng)的上位機監(jiān)控軟件選取LabVIEW，該監(jiān)控軟件可以將不斷變化的參數(shù)轉(zhuǎn)換成固定的輸出曲線，方便后續(xù)對環(huán)境的觀測。除此之外，其不僅僅可以用于監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)傳輸，還可用于其他功能模塊的傳輸。

還需要支持通過Internet 和交互式通信方式。實驗室可以使數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和分析以及儀器控制變得非常簡單。數(shù)據(jù)采集器是在進行實驗的初期，將實時監(jiān)控系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)進行初步處理，在傳達(dá)到監(jiān)測模塊中，監(jiān)測模塊根據(jù)其自身的轉(zhuǎn)換功能將接受的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成預(yù)警信息，傳達(dá)到監(jiān)控界面中，監(jiān)控界面統(tǒng)一設(shè)置此時監(jiān)測的參數(shù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、安全性能等，根據(jù)這些參數(shù)建立正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而篩選計算機監(jiān)測模塊。

2.4 選取GPRS 無線通訊預(yù)警

GPRS 技術(shù)與ZigBee 技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)無線通訊的預(yù)警功能。無線通訊的預(yù)警過程分為幾個步驟，第一步是將預(yù)警模塊初步啟動，啟動后，通過SIM300S 來發(fā)送此時需要記錄的預(yù)警信息，引導(dǎo)預(yù)警接收模塊接收，第二步利用接收到的預(yù)警進行二次反饋，將預(yù)警數(shù)值通過指定的反饋裝置傳送回來。注意，只要CC2430 從1 到P1.7 發(fā)送一個低電壓信號，該低電壓信號應(yīng)該必須進行額外的設(shè)定，第三步啟動該狀態(tài)下預(yù)警定位，利用電壓差值來平均預(yù)警中產(chǎn)生的信號波動。

協(xié)調(diào)器處理采集到的環(huán)境參數(shù)后，通過串口與SIM300S 模塊進行通信。本設(shè)計使用SIM300S 串口1，RTS 連接CTS，默認(rèn)握手成功。由于在進行協(xié)調(diào)處理時，串口的AT 指令是不斷變化的，因此其可以利用CC243 來進行調(diào)節(jié)，接口實現(xiàn)對接后，將不同的指令利用不同的發(fā)射口輸出，輸出的指令可以控制協(xié)調(diào)器的狀態(tài)，除此之外，協(xié)調(diào)器在接收到指令后還會給串口回復(fù)反饋信息，以代表其成功的實施控制，并引導(dǎo)串口發(fā)送下一階段的指令，全部指令都完成后立即向指定用戶發(fā)送報警信息。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試準(zhǔn)備

采用指定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在農(nóng)田選取合適的地點進行系統(tǒng)測試，提前將系統(tǒng)測試的環(huán)境進行記錄，將環(huán)境變化范圍設(shè)定到監(jiān)測平臺的監(jiān)測中心，安置好農(nóng)田中的測試裝備后，將該裝置與實驗室進行連接，保證監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可以及時的傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶刂圃谥付ǖ木嚯x內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。還需要根據(jù)簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖設(shè)置節(jié)點類型，把1號路由節(jié)點安置在農(nóng)田的外圍處，遮擋物少，便于保證通信質(zhì)量，并使其它3 個節(jié)點監(jiān)測范圍能夠覆蓋整個農(nóng)田，最后注意保證子節(jié)點離父親節(jié)點的距離同樣在100m 以內(nèi)，實驗設(shè)備如圖2所示。

圖2 實驗監(jiān)測點

3.2 測試結(jié)果與討論

監(jiān)測圖像如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測圖像

采集近一個月時間的蔬菜病蟲害監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制其溫濕度和光照強度曲線，實驗結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)圖4 可知，本文設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)性能良好，能準(zhǔn)確地采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實時發(fā)送監(jiān)測信息，具有有效性。

圖4 實驗結(jié)果

結(jié)束語

綜上所述，病蟲害防治對我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展來說至關(guān)重要，進行正確的病蟲害防治可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量，避免其受到病蟲害困擾，本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計了病蟲害實時監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)檢測證明其性能良好，可以成功的實施病蟲害實時監(jiān)測，且其運行工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，有一定的應(yīng)用價值。