劉豐年

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，河南 三門峽 472000）

基于物聯(lián)網(wǎng)的病蟲害智能防治系統(tǒng)研究

劉豐年

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 教務(wù)處，河南 三門峽 472000）

為解決三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害監(jiān)測技術(shù)落后，預(yù)報(bào)工作遲緩，很難及時(shí)進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)和防治等問題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的病蟲害智能防治系統(tǒng)。 該系統(tǒng)針對(duì)天鵝湖濕地公園病蟲害發(fā)生環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，選擇了合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式，完成了應(yīng)用平臺(tái)、硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。 該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)濕地公園病蟲害發(fā)生情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)地讓設(shè)備與用戶之間實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，滿足用戶對(duì)濕地公園病蟲害數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理的要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)的查閱，為三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害的防治提供了一定的參考價(jià)值。

物聯(lián)網(wǎng)；病蟲害；智能防治系統(tǒng)

引言

近年來，隨著三門峽“四大一高”戰(zhàn)略的提出，特別是“大旅游”觀的提出，三門峽市旅游業(yè)得到了飛速發(fā)展，作為三門峽最大的濕地公園—天鵝湖濕地公園的規(guī)模逐漸擴(kuò)大， 設(shè)施不斷完善， 旅游、休閑、娛樂功能逐漸凸顯，成為三門峽及周邊地區(qū)人民游玩的主要場所。然而，伴隨著公園規(guī)模的擴(kuò)大，植物數(shù)量和種類的增多，病蟲害發(fā)病的幾率逐漸提高，疫情面積逐漸擴(kuò)大。但由于公園人口密度較大，植物種類較多，耐藥性有所不同，因此公園的病蟲害防治不同于大田作物的病蟲害防治，使用一種藥物可能會(huì)對(duì)其他植物產(chǎn)生藥害，這樣不僅影響植物的觀賞價(jià)值，同樣也影響植物的生長。 為此，公園管理處也采取一定的措施，取得了一定的成效，但由于近幾年冬季溫度過高， 病蟲越冬死亡率較低，對(duì)來年的潛在影響較大，再加上病蟲害的監(jiān)測技術(shù)落后，預(yù)報(bào)工作遲緩，很難及時(shí)進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)和防治，病蟲害集中大面積疫情常有發(fā)生，危害較為嚴(yán)重。因此，急需研究一種智能化的病蟲害防治系統(tǒng)。

與此同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，得到了科學(xué)家的密切關(guān)注。筆者正是在物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害智能防治系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害發(fā)生環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，選擇了合適的傳感器和數(shù)據(jù)傳輸方式，并及時(shí)將采集到的圖像和數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器進(jìn)行備份和分析，從而為病蟲害的防治提供了可靠的參考數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)濕地公園病蟲害發(fā)生情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)地讓設(shè)備與用戶之間實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，滿足用戶對(duì)濕地公園病蟲害數(shù)據(jù)監(jiān)測和管理的要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測與歷史數(shù)據(jù)的查閱。經(jīng)過模擬仿真，筆者設(shè)計(jì)的三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害智能防治系統(tǒng)具有傳輸速度快、擴(kuò)展性好、可靠性高等特點(diǎn)，為三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害防治工作提供了一定的參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

在對(duì)三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害發(fā)生環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架，如圖1所示。

該框架主要分為以下幾部分：

（1）利用傳感器采集溫度、濕度、光照、含水量等環(huán)境參數(shù)。

（2）分析采集到的數(shù)據(jù)，通過觸摸屏顯示分析結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

（3）根據(jù)不同景觀硬件條件，選擇無線或有線

方式，上傳備份傳感器測試數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

（4）通過觸摸屏，用戶可以查看、修改相關(guān)參數(shù)，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)基于物聯(lián)網(wǎng)的濕地公園病蟲害防治系統(tǒng)傳感、傳輸、應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)調(diào)互聯(lián)，硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循兼容性、可擴(kuò)展性、可操作性和穩(wěn)定性。

2.1 微控制器選擇及外圍電路設(shè)計(jì)

（1）微控制器選擇：根據(jù)三門峽天鵝湖濕地公園的實(shí)際情況，結(jié)合本文設(shè)計(jì)病蟲害防治系統(tǒng)的實(shí)際需求，在充分考慮性價(jià)比的情況下，本系統(tǒng)選擇了 C8051F020 單片機(jī)。

（2）外圍電路設(shè)計(jì)：微控制器啟動(dòng)電路主要包括 外 部 晶 振 電 路 和 JTAG 調(diào) 試 電 路 。 由 于C8051F020 單片機(jī)內(nèi)部自帶振蕩器精度較低，因此本文在進(jìn)行硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)直接選用了外部晶體振蕩器。外部晶體振蕩器只需要增加一個(gè)諧振器、電容、并行方式的晶體連接到 C8051F020 單片機(jī)的XTAL1/XTAL2 引腳即可滿足設(shè)計(jì)要求。 在調(diào)試時(shí)需 要 將 JAVG 通 過 TDO、TDI、TMS、TCK 接 口 按 照說明進(jìn)行連接即可。 晶振及復(fù)位電路和 JTAG 電路如圖2所示。

圖2 晶振及復(fù)位電路和 JTAG 電路

2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

作為一個(gè)室外的智能化系統(tǒng)，電源模塊的設(shè)計(jì)非常重要。根據(jù)三門峽天鵝湖濕地公園地形復(fù)雜、面積大等特點(diǎn)， 本系統(tǒng)需要同時(shí)具備 220V 電源供電、太陽能供電和鋰電池供電三種供電模式，確保供電的持續(xù)性和穩(wěn)定性。

（1）220V 直接電源供電：本系統(tǒng)需要的電壓主要包括三種：芯片 5V 供電、外圍 3.3V 供電和觸摸屏 12V 供電。 通過線性穩(wěn)壓器 LM2576-5V 輸出一個(gè)穩(wěn)定的 5V 電壓， 通過 AS1117 電壓轉(zhuǎn)換芯片可以得到穩(wěn)定的 3.3V 電壓， 通過交流電轉(zhuǎn)換器可以將 220V 的交流電轉(zhuǎn)換為 12V 的直流低壓電。

（2）太陽能供電：由于天鵝湖濕地公園可以提供充足的陽光，因此本系統(tǒng)考慮采用光伏太陽能供電，不僅可以持續(xù)供電，而且可以降低供電成本。

（3）鋰電池供電：便攜式鋰電池由于充電速度快、充電前無需放電、使用壽命長，因此可以保證天鵝湖濕地公園病蟲害智能防治系統(tǒng)的不間斷工作。

2.3 傳感模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害發(fā)生的具體原因，本系統(tǒng)選用了光照傳感器、溫度傳感器、水分傳感器、氣體傳感器、圖像采集傳感器等五種不同的傳感器來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

光照傳感器：為盡可能地避免紅外光對(duì)光照傳感器測量的影響， 本系統(tǒng)選擇了 BH1750FVI光照傳感器。同時(shí)考慮到三門峽濕地公園光照強(qiáng)度和安全可靠性方面，選用了多片式的數(shù)據(jù)采集模式。

水分傳感器：關(guān)于水分的檢測，主要包括空氣濕度和土壤含水率的檢測。空氣濕度的檢測可以直接選用空氣濕度檢測傳感器，本系統(tǒng)選擇了AM2301 數(shù)字式溫濕度傳感器。土壤含水率的檢測，通過外接土壤含水率設(shè)備 EC5探頭來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

溫度傳感器：本系統(tǒng)選擇了多個(gè) DS18B20 傳感器進(jìn)行多點(diǎn)采集，然后通過一定的算法求出一個(gè)綜合值，若發(fā)現(xiàn)溫度超出設(shè)定值時(shí)則可以通過繼電器控制噴水設(shè)備進(jìn)行噴水降溫。

空氣傳感器：本系統(tǒng)選用了 M1601 紅外傳感器模塊進(jìn)行空氣濃度測量，具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度，便于用戶的使用和維護(hù)。

圖像采集模塊：為了幫助專家盡快地掌握公園植物病蟲害疫情，本系統(tǒng)考慮采用圖像采集模塊，實(shí)時(shí)采集植物圖片，最終建立了公園植物圖像數(shù)據(jù)

庫，便于用戶查看公園植物病蟲害情況，從而及時(shí)掌握情況，以便進(jìn)行合理的決策。

2.4 傳輸模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)三門峽天鵝湖濕地公園面積較大，多為山嶺地帶的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇了無線傳輸技術(shù)，主要使用了 GPRS 技術(shù)和 ZigBee 技術(shù)。

通過以下四步構(gòu)思了無線傳輸模型：

a.根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，將各類植物基本信息和病蟲害環(huán)境信息錄入電子標(biāo)簽 RFID 中。

b.在 本 文 研 究 的 病 蟲 害 智 能 防 治 系 統(tǒng) 和ZigBee 節(jié)點(diǎn)上安裝電子標(biāo)簽閱讀器， 將病蟲害發(fā)生的環(huán)境數(shù)據(jù)讀入微處理器中，這些數(shù)據(jù)將被作為參數(shù)上限。

c.建 立 ZigBee 節(jié)點(diǎn)間和 ZigBee 節(jié)點(diǎn)與病蟲害智能防治系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

d.建立病蟲害智能防治系統(tǒng)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸。

2.5 應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

（1）液晶屏模塊設(shè)計(jì)

為了使本系統(tǒng)具有較好的人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)選取了北京迪文科技有限公司生產(chǎn)的 M100 觸摸式液晶屏， 該液晶屏直接由微處理器進(jìn)行控制，支持 TTL 和 232 通訊模式，可以實(shí)時(shí)直觀地顯示天鵝湖濕地公園環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，并且可以進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置操作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的液晶屏主界面如圖3所示。

圖3 液晶屏主界面

（2）觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的觸發(fā)系統(tǒng)的作用就是當(dāng)系統(tǒng)采集到的濕地公園環(huán)境參數(shù)超過了系統(tǒng)中設(shè)定的上限值時(shí)，系統(tǒng)可以通過控制繼電器的開關(guān)來調(diào)用事先設(shè)定好的應(yīng)對(duì)措施，從而有效預(yù)防病蟲害和抑制疫情的蔓延。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括兩大部分：

（1）微處理器的微控制程序：主要完成濕地公園周圍環(huán)境參數(shù)的采集、處理、顯示，當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)采取必要的應(yīng)急措施。 具體分為：SIM300 的編程、觸摸屏的編程、Flash 的編程。

（2）上位機(jī)控制程序：主要根據(jù)通訊協(xié)議對(duì)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，修正系統(tǒng)參數(shù)。

3.1 微處理器程序設(shè)計(jì)

（1）SIM300 的操作

SIM300 的 操 作 主 要 從 SIM300 的 初 始 化 和GPRS 的連接來進(jìn)行說明。

SIM300 的初始化操作：SIM300 的 初始化主要包括設(shè)備的初始化和 GPRS 的初始化。 GPRS 初始化之前，必須先將 GPRS 斷開，然后再重新連接，才能夠真正完成 SIM300 與網(wǎng)絡(luò)的正常連接。 SIM300的初始化，需要根據(jù)工作人員的需要查詢?cè)O(shè)備號(hào)、SIM 卡信號(hào)質(zhì)量， 并且要關(guān)閉 SIM300 在通訊中的回顯功能。 SIM300 初始化流程圖如圖 4 所示。

圖4 SIM300 初始化流程

GPRS 連接：GPRS 的連接主要是通過固定 IP地址進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的， 下面就 GPRS 的調(diào)試過程進(jìn)行說明。

通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須首先確定一個(gè)通訊協(xié)議，本系統(tǒng)選擇了 TCP 傳輸控制協(xié)議。

由于三門峽天鵝湖濕地公園中沒有固定 IP，所以只能采用非固定 IP， 非固定 IP 是每次進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)時(shí)，服務(wù)商自動(dòng)分配的 IP 地址，我們可以將這個(gè) IP地址寫入 FLASH 服務(wù)器中，當(dāng) IP 地址變化時(shí)，再手動(dòng)進(jìn)行修改。 為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，上網(wǎng)方式為：其中只有一個(gè)端口接入網(wǎng)絡(luò)，然后通過設(shè)置路由器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 因此，在寫入 IP 地址之前只需對(duì)路由器進(jìn)行端口轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)置，并開辟一個(gè)專門的端口號(hào)給 SIM300來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)任務(wù)。在完成虛擬服務(wù)器的設(shè)置

后，只需要通過 AT 指令將端口號(hào)、協(xié)議方式和 IP 地址輸入 SIM300 中即可。 對(duì) SIM300 的調(diào)試，可以通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行，通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手直接在電腦上模擬一個(gè)服務(wù)器與 SIM300 進(jìn)行通訊。

（2）觸摸屏程序設(shè)計(jì)

觸摸屏程序是整個(gè)系統(tǒng)的主程序，下面對(duì)觸摸屏按鍵響應(yīng)程序進(jìn)行說明，按鍵響應(yīng)程序是觸摸屏程序中最重要也是最基礎(chǔ)的程序，當(dāng)屏幕某點(diǎn)被點(diǎn)擊時(shí)，系統(tǒng)將以中斷的方式將被擊點(diǎn)的坐標(biāo)發(fā)送至微處理器，然后微處理器要判斷是否為有效點(diǎn)擊，若無效則刪除坐標(biāo)碼，若有效則執(zhí)行相應(yīng)命令。 按鍵響應(yīng)程序流程圖如圖5所示。

圖5 按鍵響應(yīng)程序流程

3.2 上位機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件主要功能包括：串口連接功能、數(shù)據(jù)顯示功能、GSM 調(diào)試區(qū)、微處理器控制區(qū)、觸摸屏控制區(qū)等。

4 系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試

將前面研究出的各模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制 PCB 電路圖，經(jīng)過元器件的焊接，最終形成實(shí)物圖。

調(diào)試步驟如下：

（1）通過 KeilC51 編輯程序，調(diào)試無誤后，將目標(biāo)程序下載至微處理器中。

（2）在 KeilC51 中合理設(shè)置斷點(diǎn)，進(jìn)行調(diào)試。 也可以進(jìn)行單步調(diào)試。

（3）通過步驟（2）的方法對(duì)程序進(jìn)行修改。

（4）循環(huán)執(zhí)行步驟（1）（2）（3），直至程序執(zhí)行效果滿足要求為止，最終將無誤的目標(biāo)程序固化到微處理器中。

聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn)包括通訊口、GPRS 模塊調(diào)試、觸摸屏的調(diào)試等，現(xiàn)在以溫度測試及上位機(jī)監(jiān)測為例進(jìn)行說明。

本實(shí)驗(yàn)的目的：通過微處理器將 DS18B20 獲得的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換器傳至上位機(jī)調(diào)試軟件，通過上位機(jī)調(diào)試軟件將數(shù)據(jù)顯示出來。

本測試只采用了一個(gè)溫度傳感器來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所以其他測試數(shù)據(jù)均為零。 在上位機(jī)軟件中，點(diǎn)擊自動(dòng)讀取 MCU（微處理器）數(shù)據(jù)，就可以將一路溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)正是在物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)架基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害智能防治系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對(duì)三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害發(fā)生環(huán)境數(shù)據(jù)的變化，選擇了合適的傳感器模塊、傳輸模塊，完成了應(yīng)用模塊、外圍電路的設(shè)計(jì)和相應(yīng)軟件的設(shè)計(jì)，并通過聯(lián)合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天鵝湖濕地公園病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)測和防治。筆者設(shè)計(jì)的三門峽天鵝湖濕地公園病蟲害智能防治系統(tǒng)具有傳輸速度快、擴(kuò)展性好、可靠性高等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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（責(zé)任編輯 梁紅艷）

TP212.9

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：1671-9123（2014）04-0106-04

2014-09-20

劉豐年(1982-)，男，河南三門峽人，三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處教師。