果園蟲害監(jiān)測系統(tǒng)硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)

汪小威，肖超江，陳振燊

（南寧學(xué)院，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530200）

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，圖像識別技術(shù)在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。以其在果園生產(chǎn)中的應(yīng)用為例，當前國內(nèi)果園生產(chǎn)中蟲害監(jiān)測主要采用紅外計數(shù)方法，通過害蟲誘捕燈或誘餌誘捕害蟲，并記錄害蟲的個數(shù)，這種害蟲監(jiān)控的方法精細化程度不夠，對后期決策提供的信息量不足，易造成決策錯誤。因此，果農(nóng)希望能采用更有效的方法對果園內(nèi)害蟲信息進行采集，并實施誘捕，同時對果園內(nèi)的空氣、土壤等環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測，保證果樹生長環(huán)境良好，推動農(nóng)業(yè)向智能化方向發(fā)展。

歐美等發(fā)達國家，在農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)方面一直都非常重視，其科研水平高，科研設(shè)備先進，很多科研人員都對病蟲害防護進行了相關(guān)的研究，在蟲害防護方面優(yōu)于國內(nèi)水平，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對農(nóng)作物的環(huán)境元素進行監(jiān)測，例如土壤、空氣、光照等，同時能對病蟲害等信息進行識別，監(jiān)控和預(yù)測，為農(nóng)作物的生長環(huán)境提供優(yōu)良的保障。但國外害蟲監(jiān)控識別多為本地化的底端解析系統(tǒng)，系統(tǒng)運營成本較高。

我國的農(nóng)業(yè)信息化建設(shè)相比于發(fā)達國家較落后。在我國，對農(nóng)業(yè)病害防治的研究還不夠重視，科研人員一般在小麥和玉米、水稻作物的研究較多，果園、蔬菜方面的病蟲害研究缺乏經(jīng)驗，研究成果比較單一，研究的成果也較少用于實際防治工作中。

基于此，設(shè)計了一套基于STM32 的蟲害監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32為主控，包括空氣溫濕度、光照度、土壤pH 值、蟲害監(jiān)測、光誘捕、云平臺等模塊，經(jīng)系統(tǒng)集成測試，實現(xiàn)了溫濕度采集、土壤pH 值檢測、光照度檢測、害蟲識別拍照、數(shù)據(jù)上傳云平臺等功能，具有實時性強、數(shù)據(jù)檢測準確等特點，市場前景廣闊?，F(xiàn)將該系統(tǒng)設(shè)計介紹如下。

1 總體功能設(shè)計

基于STM32的蟲害監(jiān)測系統(tǒng)包括空氣溫濕度采集、光照度采集、土壤綜合采集、光誘捕、蟲害監(jiān)測、云平臺等模塊。通過上述模塊的實時運行，為果園提供外部環(huán)境的溫度、濕度、光照度、土壤溫度、土壤濕度、土壤pH 的實時監(jiān)測，同時識別環(huán)境中的害蟲、統(tǒng)計和誘捕。系統(tǒng)總體框架見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of the system

2 核心模塊電路設(shè)計

硬件模塊包含了云平臺模塊（GM190 模塊）、蟲害監(jiān)測模塊（k210）、空氣溫濕度采集模塊（AHT10 模塊）、光照度采集模塊（BH1750 模塊）、土壤綜合采集模塊（土壤環(huán)境值模塊）和光誘捕模塊（誘蟲燈），模塊間通過可拆式接口連接。

2.1 空氣溫濕度采集模塊電路設(shè)計

空氣溫濕度采集模塊為aht10 溫濕度傳感器，采用i2c協(xié)議通信。如下圖2 所示，模塊的SDA 引腳和SCL 引腳，分別與STM32 的I2C2_SDA（PA7）、I2C2_SCL（PA6）相連接。STM32 通過PA6、PA7 引腳輸出或讀取特定的電平，實現(xiàn)i2c時序讀取溫濕度值；在完全讀取完后，停止通訊。所得到的值通過提取，便可得到空氣溫濕度的值。該模塊電路設(shè)計見圖2。

圖2 空氣溫濕度采集模塊接口電路Fig.2 Air temperature and humidity acquisition module interface circuit

2.2 土壤綜合采集模塊電路設(shè)計

土壤綜合采集模塊由土壤傳感器和rs485 轉(zhuǎn)TTL 電路組成。土壤傳感器使用RS485 的A、B 差分傳輸數(shù)據(jù)，分別連接到RS485--＞TTL 電路上的A、B 接口，TTL 端連接單片機串口，即TTL_TX 接DEBUG_RX（PA10），TTL_RX 接DEBUG_TX（PA9）。如下圖3 所示，DEBUG_RX 和DEBUG_TX 的引腳對應(yīng)為STM32 片上外設(shè)串口1，可通過串口協(xié)議與土壤綜合采集模塊通訊。STM32 使用串口1 DEBUG_TX 腳將數(shù)據(jù)送給土壤綜合采集模塊，模塊接收到確認命令后返回濕度數(shù)據(jù)，并通過DEBUG_RX 傳給STM32，STM32解碼后就可以獲取到當前的土壤濕度數(shù)據(jù)。

圖3 土壤綜合采集模塊接口電路Fig.3 Soil comprehensive collection module interface circuit

2.3 光誘捕模塊電路設(shè)計

光誘捕模塊硬件由2 部分組成：誘捕電路和控制電路。誘捕電路見圖4，電路由stc8G1k08a芯片及其外圍電路構(gòu)成，其中WS2812_IO（P3.2）連接ws2812誘蟲燈的DI，用電平模擬ws2812 時序輸入燈的顏色數(shù)據(jù)；而IN_IO（P5.4）接STM32 的WS2812_DAT（PB8），當IN_IO 口讀到高電平時，WS2812_IO驅(qū)動燈亮，當INO_IO 口讀到低電平時，WS2812_IO 驅(qū)動燈滅。誘捕燈電路通過xh2.54接插件與STM32連接。

圖4 誘蟲燈電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of worm lamp circuit

2.4 蟲害監(jiān)測模塊電路設(shè)計

蟲害監(jiān)測模塊通過SCCB方式控制ov攝像頭對區(qū)域內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)控，拍攝的圖像幀經(jīng)過k210 的處理，識別并統(tǒng)計害蟲的數(shù)據(jù)，并通過串口發(fā)送到STM32單片機上。

Ov5640 的DVP_D0-DVPD7 引腳是圖像幀數(shù)據(jù)引腳，分別與k210芯片的M12、M11、M10、M9、M8、M7、M6、M5引腳相連接。DVP_SCL 為SCCB 通信協(xié)議提供時鐘信號，DVP_SDA為SCCB通信協(xié)議提供數(shù)據(jù)信號。

監(jiān)測模塊與STM32 單片機通過串口進行數(shù)據(jù)的交換。K210 芯片的引腳IO_23、IO_22 復(fù)用為串口發(fā)送、接收功能，與STM32 片上外設(shè)的串口6 K210_RX（PA12）、K210_TX（PA11）連接，STM32 使用K210_TX 發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控模塊，而監(jiān)控模塊使用IO_23 口發(fā)送數(shù)據(jù)到STM32。監(jiān)測模塊與STM32連接原理圖見圖5。

圖5 蟲害監(jiān)測模塊通訊連接原理圖Fig.5 Schematic diagram of communication connection of pest monitoring module

2.5 云平臺模塊電路設(shè)計

云平臺模塊使用GM190，STM32 通過串口2和普通IO口對該模塊進行通訊和控制。GM190模塊與STM32通訊需要4根連接線，GM190的使用接口為RESET、POWER、RXD、TXD，分別對應(yīng)到STM32 上的（GM190_RESE）PB5、（GM190_POWER）PB4、（GM190_RX）PA3、（GM190_TX）PA2 口。GM190 和STM32連接原理圖見圖6。

圖6 網(wǎng)絡(luò)模塊與GM190硬件連接圖Fig.6 Hardware connection between the network module and the GM190

3 集成測試

3.1 整體實物框架

將各模塊連接到STM32 單片機上，分別下載程序燒錄。連接12V 電源后，可以在OLED 屏上看到參數(shù)顯示、LCD 屏可以看到攝像頭拍攝到的畫面。具體如下圖7所示：

圖7 實物整體圖Fig.7 Physical master plan

3.2 土壤綜合采集模塊測試

將土壤環(huán)境檢測模塊插入泥土中，上電后可在OLED顯示屏第5頁查看到土壤溫度、濕度和pH值，當前監(jiān)測到的結(jié)果分別是S_T 土壤溫度27.1℃、S_H 土壤濕度16.8%、S_pH 值7.9，參數(shù)在正常范圍內(nèi)。土壤環(huán)境檢測模塊測試成功圖見圖8。

圖8 土壤綜合傳感器測試狀態(tài)及數(shù)值圖Fig.8 Test status and numerical diagram of soil integrated sensor

3.3 蟲害監(jiān)測和光誘捕模塊測試

蟲害監(jiān)測模塊上電測試，LCD 屏顯示攝像頭拍攝到的環(huán)境見圖9，害蟲在攝像頭面前經(jīng)過時，模塊識別到害蟲種類并在LCD 上框出，同時拍照計數(shù)，并將計數(shù)結(jié)果顯示到OLED上，OLED屏所示的“hc：10”表示由蝗蟲在攝像頭前面經(jīng)過10次，單位時間內(nèi)飛過的害蟲量達到誘蟲閾值時（當前為10），誘蟲燈打開。

圖9 光誘捕模塊測試狀態(tài)及數(shù)值圖Fig.9 Test state and numerical diagram of optical trapping module

4 總結(jié)

果園蟲害監(jiān)測系統(tǒng)采用嵌入式、傳感器、圖像檢測等技術(shù)，以STM32為主控，實現(xiàn)了空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、土壤pH 值、蟲害識別和監(jiān)測等功能，能夠?qū)麍@害蟲進行光誘捕，并將實時數(shù)據(jù)上傳到云平臺，解決了果農(nóng)們在種植過程中無法監(jiān)測果樹生長環(huán)境而導(dǎo)致種植損失的問題，市場應(yīng)用前景較為廣闊。