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(hù)等問題，文中設(shè)計(jì)了一種基于WSN的分布式太陽(yáng)能殺蟲燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能殺蟲燈控制器、環(huán)境檢測(cè)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(tái)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(shí)現(xiàn)市面上殺蟲燈最基本的殺蟲功能，還可以實(shí)時(shí)采集殺蟲燈的工作環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及捕捉現(xiàn)場(chǎng)殺蟲的圖片，并能將數(shù)據(jù)和圖片通過無線通信模塊遠(yuǎn)程傳輸?shù)胶笈_(tái)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(cè)

中圖分類號(hào)：S477；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(jiǎn)單殺死蚊蟲，它不僅需要人工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)去查看滅蟲效果并檢測(cè)設(shè)備是否正常，還無法實(shí)時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)信息，不能在環(huán)境惡劣的情況下對(duì)滅蟲裝置進(jìn)行自動(dòng)化管理，且設(shè)備設(shè)計(jì)與管理無法適應(yīng)野外惡劣環(huán)境，也沒有建立后臺(tái)數(shù)據(jù)中心，無法進(jìn)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(guó)農(nóng)業(yè)信息化與物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

如今市場(chǎng)上的農(nóng)田殺蟲燈大多采用獨(dú)立工作模式，這種實(shí)現(xiàn)方式存在諸多弊端，如殺蟲點(diǎn)少、殺蟲范圍小、殺蟲點(diǎn)固定不可移動(dòng)、維護(hù)工作量大、不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)和管理等。本文為了解決傳統(tǒng)殺蟲燈設(shè)備存在的缺點(diǎn)，提出了一種基于WSN的分布式太陽(yáng)能殺蟲燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需要多點(diǎn)分布在農(nóng)田的各個(gè)角落，通過這種多點(diǎn)配合式的殺蟲模式可以靈活控制整個(gè)殺蟲系統(tǒng)，從而達(dá)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_(tái)信息中心，方便工作人員對(duì)其進(jìn)行管理。這使得整個(gè)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(jiǎn)單化和智能化。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該太陽(yáng)能殺蟲燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要由分布式終端節(jié)點(diǎn)、分布式路由節(jié)點(diǎn)、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(diǎn)包含多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)太陽(yáng)能殺蟲燈控制器，其主要用于數(shù)據(jù)的采集和對(duì)殺蟲燈的控制；

（2）分布式路由節(jié)點(diǎn)包含了多個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)都具備終端節(jié)點(diǎn)的功能，不僅能實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)中的功能，還能中繼或路由其他終端節(jié)點(diǎn)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(gè)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(tái)信息中心用于存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)和控制信息，并通過網(wǎng)頁(yè)實(shí)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(jì)

本系統(tǒng)的硬件模塊主要包括太陽(yáng)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(cè)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(bǔ)償、提供單片機(jī)UXGA攝像功能等特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)殺蟲畫面的實(shí)時(shí)捕捉，并通過分析害蟲的數(shù)量和種類來實(shí)時(shí)調(diào)整殺蟲燈的工作時(shí)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(yǔ)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(dòng)電話、遠(yuǎn)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(cè)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(qiáng)、組網(wǎng)方式靈活多變，實(shí)現(xiàn)過程簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。該無線組網(wǎng)模塊實(shí)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(chǎng)的實(shí)際情況和需求，靈活分布在農(nóng)田的各個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)、定點(diǎn)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(shí)間，提高整體殺蟲的效果。

2.4 太陽(yáng)能殺蟲燈控制模塊

太陽(yáng)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(hù)電路、負(fù)載保護(hù)電路等組成。其電路原理圖如圖6所示

2.5 環(huán)境檢測(cè)模塊

環(huán)境檢測(cè)模塊使用溫度傳感器DS18B20、濕敏傳感器HR202等檢測(cè)模塊，該模塊可以用來檢測(cè)太陽(yáng)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(jìn)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(jì)

3.1 通信協(xié)議

在本系統(tǒng)中，分布式終端節(jié)點(diǎn)、分布式路由節(jié)點(diǎn)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(duì)普通用戶來說，并不需要了解網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整個(gè)結(jié)構(gòu)，僅需了解IP的地址格式即可與世界各地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

軟件流程設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)殺蟲效果和環(huán)境監(jiān)控對(duì)實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、長(zhǎng)期性、靈活性要求較高且范圍大的特點(diǎn)，提出了一種基于WSN的分布式太陽(yáng)能殺蟲燈遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee-GPRS相結(jié)合的遠(yuǎn)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_(tái)信息中心，同時(shí)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的存儲(chǔ)和處理并返回給殺蟲燈控制器終端，從而起到分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整殺蟲方式，靈活調(diào)整殺蟲燈的開啟時(shí)間，達(dá)到分布式殺蟲的效果，使其變得更靈活、更高效，同時(shí)也可以改變誘光燈光源的變化，達(dá)到定向殺蟲的目的，減少對(duì)有益昆蟲的殺害。

參考文獻(xiàn)

[1]黃帆.無線圖像數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[2]傅中君.嵌入式GPRS無線通信模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，40（14）：162-165.

[3]雷陽(yáng)，尚鳳軍，任宇森.無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議現(xiàn)狀研究[J].通信技術(shù)，2009，42（3）：117-120.

[4]劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[5]李中華，王國(guó)占，齊飛.我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2012（1）：7-10.

[6]黃慧燕.事件驅(qū)動(dòng)型無線傳感網(wǎng)絡(luò)功耗分析及節(jié)能協(xié)議設(shè)計(jì)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[7]俞昌忠，陳躍東.基于WSN和GPRS遠(yuǎn)程溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，12（4）：42-46.

[8]徐利謀，黃長(zhǎng)遠(yuǎn).基于GPRS和ZigBee的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，6（6）：34-35.