陳光絨 李小琴

摘要：介紹了一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)作物病蟲害自動測報系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個網(wǎng)關(guān)、若干終端分機(jī)及計算機(jī)信息發(fā)布系統(tǒng)組成，網(wǎng)關(guān)安裝有ZigBee模塊（協(xié)調(diào)器）和GPRS模塊，利用GPRS接收遠(yuǎn)端服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集或清零指令，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向終端分機(jī)采集數(shù)據(jù)或?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)清零功能;終端分機(jī)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(jìn)入誘捕器的害蟲，并利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息傳遞;同時給出了野外的網(wǎng)關(guān)和終端機(jī)的供電系統(tǒng)。經(jīng)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(yù)報、預(yù)警取得了良好的效果，提高了農(nóng)業(yè)管理的科技含量，為推進(jìn)農(nóng)業(yè)數(shù)字化、信息化的發(fā)展做了有價值的探索。

關(guān)鍵詞：農(nóng)作物病蟲害;ZigBee網(wǎng)絡(luò);紅外檢測;自動測報

中圖分類號： TP273 文獻(xiàn)標(biāo)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(wǎng)。Tel：（0574）86891332。

農(nóng)作物病蟲害給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了極大的危害，輕則使農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量減少、質(zhì)量下降，重則使局部農(nóng)地顆粒無收，所以加強(qiáng)農(nóng)作物病蟲害防治具有重要現(xiàn)實意義。目前常用化學(xué)、物理機(jī)械以及生物技術(shù)來防治農(nóng)作物病蟲害。長期以來，人們習(xí)慣用噴灑農(nóng)藥的化學(xué)方法來解決農(nóng)作物病蟲害問題，由此造成環(huán)境污染、土壤板結(jié)等生態(tài)問題[1]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合物理、生物技術(shù)防治病蟲害的方法，不僅可以解決農(nóng)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(jī)械的方法誘殺農(nóng)作物病蟲害的一種方法，但目前此方法存在病蟲害數(shù)目難以統(tǒng)計、人們無法準(zhǔn)確掌握病蟲害的分布特性等問題。如讓技術(shù)人員到田間去數(shù)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)作物病蟲害自動測報系統(tǒng)，能自動識別農(nóng)作物病蟲害的類型、自動統(tǒng)計病蟲害的數(shù)量，以及根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報、預(yù)警。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)采用“終端分機(jī)（ZigBee路由傳感節(jié)點）+網(wǎng)關(guān)（ZigBee協(xié)調(diào)器+GPRS）+計算機(jī)信息發(fā)布系統(tǒng)”的框架[3-4]?？驁D如圖1所示。

其中每個ZigBee終端機(jī)連4個誘捕器，在誘捕器中安裝傳感器，檢測病蟲害的進(jìn)入，經(jīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和處理后，將數(shù)據(jù)顯示在分機(jī)的面板上。

同時由ZigBee節(jié)點組成無線網(wǎng)絡(luò)，分機(jī)和網(wǎng)關(guān)組成網(wǎng)絡(luò)，自定通信協(xié)議，將分機(jī)相關(guān)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)給計算機(jī)采集系統(tǒng)。通過計算機(jī)上位機(jī)的處理，完成數(shù)據(jù)清零、采集以及記錄號設(shè)定等操作，再由計算機(jī)信息處理系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的匯總及分析，并實施短信發(fā)送，做出相應(yīng)的決策[5-6]。

2 硬件設(shè)計

2.1 終端分機(jī)硬件設(shè)計

根據(jù)每個終端需要實現(xiàn)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(jī)設(shè)計

2.2.1 終端分機(jī)供電系統(tǒng)設(shè)計 終端分機(jī)任務(wù)是采集所監(jiān)控點的害蟲數(shù)量，設(shè)備通常固定在野外農(nóng)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(jī)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(xì)敘述。

2.2.2 終端分機(jī)CPU電路及控制電路設(shè)計 終端分機(jī)的CPU及控制電路內(nèi)部包括內(nèi)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(shè)計?？紤]太陽能和電瓶的成本，要求終端分機(jī)系統(tǒng)的電流越小越好，因此電源采用DC-DC轉(zhuǎn)換電路，選用TD1583（sop8）芯片，輸出電流可達(dá) 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(shè)計。根據(jù)終端分機(jī)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(shè)置了3個按鈕：分別是設(shè)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(shè)計 根據(jù)農(nóng)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(wǎng)，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(jù)ZigBee的ID號和信道，可以組建不同的網(wǎng)絡(luò)，這給實際應(yīng)用帶來了極大的便利[9]?？紤]系統(tǒng)功能以及擴(kuò)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(shè)計 害蟲檢測采用光電（紅外）檢測方式，通過誘捕器結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，使得害蟲進(jìn)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(shè)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(jī)軟件的特殊處理，不影響對害蟲的正確計數(shù)。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(shè)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(shè)計降低了成本。

2.3 網(wǎng)關(guān)部分設(shè)計

網(wǎng)關(guān)如同終端分機(jī)一樣置于野外農(nóng)田，只不過不直接采集害蟲，它的任務(wù)有2個： 其一是定期向所“管轄”的終端分機(jī)采集數(shù)據(jù);其二是利用GPRS接收來自遠(yuǎn)端公司服務(wù)器的數(shù)據(jù)“上傳”和“清零”指令，轉(zhuǎn)發(fā)給終端分機(jī)，并將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)回到公司服務(wù)器。

為降低用戶今后維護(hù)難度，協(xié)調(diào)器采用CPU+ZigBee模塊+GPRS方式，將這里的ZigBee模塊配置成協(xié)調(diào)器即可，它在系統(tǒng)中起到組織者的作用：首先負(fù)責(zé)各個終端分機(jī)組網(wǎng)，組網(wǎng)完成后負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)關(guān)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(nèi)置3個獨立串行通信口，可以完全滿足系統(tǒng)的要求，當(dāng)然第3個串口可以預(yù)留給Wi-Fi或其他以后需要擴(kuò)展的通信[12-13]。

網(wǎng)關(guān)部分的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

具體實現(xiàn)時，CPU的TX端也必須經(jīng)分壓處理與ZigBee的RX相連。

為考慮今后維護(hù)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(hù)。

3 軟件設(shè)計

3.1 終端分機(jī)程序設(shè)計

終端分機(jī)軟件需要實現(xiàn)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(shù)據(jù)及信息顯示、數(shù)據(jù)通信。軟件設(shè)計上包括初始化函數(shù)、循環(huán)執(zhí)行函數(shù)以及中斷函數(shù)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(nèi)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(shù)據(jù)修改后寫入）、數(shù)據(jù)發(fā)送（有發(fā)送標(biāo)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(shù)及功能的實現(xiàn)作一說明：

（1）按鍵掃描與執(zhí)行

終端分機(jī)內(nèi)部有1個按鍵，外部給用戶提供3個按鈕。

內(nèi)部按鍵稱為ID鍵，用來在出廠時給終端分機(jī)設(shè)定唯一ID號（即身份識別號），ID號包括機(jī)器版本號和數(shù)字序列，實現(xiàn)過程如下：

按一下此鍵，內(nèi)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(jī)發(fā)送1組5字節(jié)數(shù)碼，其中包括1字節(jié)的數(shù)據(jù)頭、3字節(jié)的ID號（4位版本信息，20位數(shù)字序列）和1字節(jié)的校驗碼，終端分機(jī)接收此數(shù)據(jù)序列后將ID號存入EEPROM，作為終端分機(jī)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(shè)置/查看鍵、+1鍵、-1鍵。

設(shè)置/查看鍵：設(shè)置主要是讓用戶設(shè)定終端分機(jī)的編號（此編號可以跟捕捉的害蟲建立對應(yīng)關(guān)系），按一下此鍵，進(jìn)入設(shè)置界面，顯示機(jī)器的編號并處于閃爍狀態(tài)，此時可以通過+1、-1進(jìn)行編號設(shè)置;查看是讓用戶查看當(dāng)前的捕蟲數(shù)量，同一個頁面可以同時顯示4個誘捕器的數(shù)據(jù)，操作時按1次“設(shè)置/查看”鍵進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，再按1次切換到查看狀態(tài)，再按后回復(fù)正常。

+1鍵：將閃爍位的數(shù)據(jù)加1，設(shè)置范圍為1～999。

-1鍵：將閃爍位的數(shù)據(jù)減1，設(shè)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(shù)

終端分機(jī)的串口負(fù)責(zé)接收ID設(shè)置號、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信息，并根據(jù)需要發(fā)送數(shù)據(jù)。其中ID信息設(shè)置在按鍵中已經(jīng)說明，這里給出數(shù)據(jù)格式，其余不再重復(fù)。

數(shù)據(jù)格式：數(shù)據(jù)頭（1字節(jié)）、ID號（3字節(jié)） 、校驗（1字節(jié)）

另外，終端分機(jī)主要任務(wù)是處理從網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信息，為確保數(shù)據(jù)通信可靠，這里指定通信格式：

數(shù)據(jù)頭（1字節(jié)）、ID號（3字節(jié)） 校驗（1字節(jié)）

串口中斷函數(shù)流程如圖9所示，其中省略了ID=2、3、4。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)如同終端分機(jī)一樣置于野外農(nóng)田，只不過其不直接采集害蟲，它的任務(wù)有2個： 其一是定期向所“管轄”的終端分機(jī)采集數(shù)據(jù);其二是利用GPRS接收來自遠(yuǎn)端公司服務(wù)器的數(shù)據(jù)“上傳”和“清零”指令，并將采集的數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)回到公司服務(wù)器或向終端分機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)清零指令[15]。

（1）接收來自服務(wù)器的信息

服務(wù)器的數(shù)據(jù)直接通過GPRS發(fā)給網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)格式如下：

數(shù)據(jù)頭（1字節(jié)）、采集或清零指令（1字節(jié)）、終端分機(jī)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(dāng)于定點采集或清零;如果ID全部為0，相當(dāng)于廣播（全部終端分機(jī)都執(zhí)行）采集或清零指令。

校驗是將數(shù)據(jù)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(jī)的信息

網(wǎng)關(guān)接收GPRS指令后，將此數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的終端分機(jī)，分機(jī)接收采集指令后將數(shù)據(jù)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)上傳給網(wǎng)關(guān)，如果接收的是清零指令，則清零后作應(yīng)答。

終端分機(jī)回傳的數(shù)據(jù)格式如下：

數(shù)據(jù)頭（1字節(jié)）、0x01（代表采集）、終端分機(jī)ID號（3字節(jié)）、終端分機(jī)編號（1字節(jié)）、誘捕器1數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、誘捕器2數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、誘捕器3數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、誘捕器4數(shù)據(jù)（2字節(jié)）、校驗（1字節(jié)）

清零后應(yīng)答數(shù)據(jù)格式如下：

數(shù)據(jù)頭（1字節(jié)）、0x02（代表清零）、終端分機(jī)ID號（3字節(jié)）、 終端分機(jī)編號（1字節(jié)）、0x00 校驗（1字節(jié)）

網(wǎng)關(guān)除了數(shù)據(jù)通信外，另一個主要任務(wù)是將定期采集到的數(shù)據(jù)“依次”存入內(nèi)部的EEPROM中，根據(jù)每個終端分機(jī)的數(shù)據(jù)信息，需要給每個終端分機(jī)分配11字節(jié)的存儲單元，如表1所示。

表1 分機(jī)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(jù)以上結(jié)構(gòu)可以看出，分機(jī)號是一個十分關(guān)鍵的數(shù)據(jù)，知道所要找的分機(jī)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(jī)對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)起始地址，addr0是總的數(shù)據(jù)區(qū)起始地址，number是所找分機(jī)自身的編號（1～255）。

同樣的，要想獲得某個分機(jī)（如編號n）的誘捕器1的數(shù)據(jù)，可以用下面公式找到數(shù)據(jù)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(jī)誘捕器1數(shù)據(jù)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(jī)系統(tǒng)采集軟件（計算機(jī)采集系統(tǒng)設(shè)計在此不作介紹），用戶可設(shè)定系統(tǒng)的分機(jī)編號和目前記錄號，按下“確認(rèn)”鍵后，進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，系統(tǒng)默認(rèn)的是COM1口，也可自行設(shè)定，其波特率為2 400 b/s。

（1）設(shè)置終端分機(jī)編號功能測試

軟件可根據(jù)需要設(shè)置當(dāng)前的記錄號，可將記錄號設(shè)置為1，點擊“設(shè)置記錄號”按鈕，則系統(tǒng)自動從1開始依次設(shè)置分機(jī)記錄號，用戶可從軟件界面中核對是否將某臺ZigBee終端分機(jī)的記錄號修改成1。經(jīng)測試，能正常設(shè)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(jī)（如5號）進(jìn)行計數(shù)，當(dāng)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(shù)分別為0、0、3、0（軟件用“節(jié)點”表示），記錄此數(shù)據(jù)。

設(shè)置“自動采集時間”，比如PM15：00，將計算機(jī)的時間修改為PM14：59，待時間到PM15：00時，觀察采集的數(shù)據(jù)。如圖10所示，5號分機(jī)的數(shù)據(jù)被采集，經(jīng)觀察，此數(shù)據(jù)與實際記錄的數(shù)據(jù)一致。

采集后，記錄號自動加1，與設(shè)計思想一致。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)設(shè)計后，經(jīng)現(xiàn)場使用測試，數(shù)據(jù)通信正常，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性好，系統(tǒng)能比較準(zhǔn)確地測量害蟲的數(shù)量，為害蟲預(yù)警、預(yù)報提供現(xiàn)場第一手?jǐn)?shù)據(jù)，為農(nóng)業(yè)管理現(xiàn)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(jìn)，我們認(rèn)為在以下幾個方面還可進(jìn)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(jī)之間單獨放置路由器，以實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。

（3）研究數(shù)據(jù)分析軟件，可通過數(shù)據(jù)得出趨勢分析，提供更有效的測報信息，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給執(zhí)行人員和有關(guān)職能部門，從而為農(nóng)業(yè)數(shù)字信息化做出樣板工程[15]。

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