張志得 冷自洋 朱 城 朱澤德 蘇亞輝

1(安徽大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院 安徽 合肥 230601) 2(中科院合肥技術(shù)創(chuàng)新工程院 安徽 合肥 230088) 3(安徽大學(xué)電子信息工程學(xué)院 安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，為了減少病蟲害對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響，出現(xiàn)了許多農(nóng)業(yè)病蟲害的防治方法，如物理防治、化學(xué)防治和生物防治等[1-2]。燈光誘殺是市場上主要的物理防治的方法之一[3]。目前殺蟲燈大多在無人看管的野外工作，地理位置較偏僻，從部分地區(qū)的推廣情況來看，這種推廣使用的方式存在著后期維護困難的問題[4-5]。同時也沒有建立統(tǒng)一共享的后臺中央數(shù)據(jù)管理中心，用戶無法及時了解殺蟲燈的最新工作狀態(tài)；另一方面，由于殺蟲燈內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，無法準(zhǔn)確地定位到故障發(fā)生的位置和惡劣天氣下斷電自我保護的功能，增加了設(shè)備維護的困難性，無法對殺蟲燈進行智能化管理，限制了殺蟲燈使用效果和使用效率的提升。沒有使殺蟲燈在植保方面的作用得到充分發(fā)揮，不能夠完全適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的發(fā)展趨勢。閆真月等[6]和馬仟等[7]分別進行了溫室LED殺蟲監(jiān)測系統(tǒng)和基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對殺蟲燈的殺蟲數(shù)量進行監(jiān)測和殺蟲燈的工作環(huán)境數(shù)據(jù)以及捕捉現(xiàn)場的殺蟲照片的監(jiān)測，缺乏對殺蟲燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控以及對殺蟲燈的遠程控制。

在現(xiàn)有相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)之上，本文通過硬軟件相結(jié)合的方式，實現(xiàn)了殺蟲燈電池裝置的自我保護和遠程狀態(tài)的監(jiān)測和控制，從而提高了殺蟲燈裝置工作的穩(wěn)定性、便捷性，節(jié)省了大量的勞動力，進一步提高了滅蟲的效率。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

整個系統(tǒng)分為兩大部分，設(shè)備終端系統(tǒng)和監(jiān)測與控制系統(tǒng)。設(shè)備終端系統(tǒng)負責(zé)采集殺蟲燈工作狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)，通過4G無線通信[8]模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測與控制系統(tǒng)中。監(jiān)測與控制系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，借助應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器將數(shù)據(jù)存儲進數(shù)據(jù)庫中，用戶便可以通過PC端或移動端查看殺蟲燈的各項工作狀態(tài)以及進行開關(guān)機等操作。圖1為系統(tǒng)整體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

采用環(huán)保節(jié)能的太陽能電池板對太陽能LED殺蟲燈進行供電，系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，總體電路分為以下三大部分：(1) 系統(tǒng)的供電電源由蓄電池和太陽能電池板共同組成；(2) 控制器包括4G無線通信模塊、DHT11[9]溫濕度檢測模塊、攝像頭模塊等；(3) 殺蟲燈電路部分，分別包含了高壓電擊網(wǎng)和LED燈柱，如果采用碰撞式殺蟲燈則沒有利用高壓電進行殺蟲。太陽能電池和蓄電池共同組成了太陽能LED殺蟲燈的電源供電系統(tǒng)，兩者容量的大小直接關(guān)系到殺蟲燈工作時間的長短與使用效果。其容量大小主要依據(jù)殺蟲燈所處地理位置的天氣、日照強度等因素來進行設(shè)計[10]。

圖2 殺蟲燈終端設(shè)備系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)備終端系統(tǒng)核心功能實現(xiàn)流程

終端系統(tǒng)核心功能主要包括兩個方面，數(shù)據(jù)發(fā)送功能和指令接收與終端設(shè)備控制功能，實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 終端系統(tǒng)核心功能實現(xiàn)流程

服務(wù)端指的是監(jiān)測與控制系統(tǒng)，終端指的是設(shè)備終端系統(tǒng)。設(shè)備終端發(fā)送數(shù)據(jù)的流程主要是首先服務(wù)端和終端分別進行初始化，然后終端和服務(wù)端建立TCP連接，終端向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)，如果服務(wù)端沒有成功接收，則重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)重發(fā)次數(shù)超過3次時，判斷連接是否斷開，如果是則重新建立TCP連接[11]，否則盡快檢查問題所在。 指令接收與設(shè)備控制功能的實現(xiàn)流程首先也是系統(tǒng)初始化和TCP連接，連接成功后由服務(wù)端向終端發(fā)送控制指令，如果終端成功接收到指令后，便進行相應(yīng)操作實現(xiàn)對設(shè)備的控制，如果未成功接收，則進行數(shù)據(jù)重發(fā)，重發(fā)超過3次則需要盡快檢查問題所在。

2.2 傳感器選型

微控制器搭載的傳感器較多，因此傳感器選型的好壞不僅關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也會影響系統(tǒng)的成本。經(jīng)過生產(chǎn)成本的考慮和性能對比，最終選用的傳感器如下:

(1) 攝像頭模塊OV2640是選用某公司生產(chǎn)的CMOS UXGA圖像傳感器，該傳感器具有單片UXGA攝像頭和影像處理器的全部功能，由SCCB總線控制。用戶能夠?qū)φ掌|(zhì)量、傳輸方式和數(shù)據(jù)格式進行自由控制。其電路原理如圖4所示。

圖4 OV2640外圍電路圖

(2) DHT11溫濕度模塊選用的是一款已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。該產(chǎn)品具有成本低、長期溫度、超快響應(yīng)、抗干擾能力強等特點。其電路原理如圖5所示。

圖5 DHT11電路原理圖

2.3 4G無線通信模塊

該系統(tǒng)使用4G模塊主要負責(zé)同監(jiān)測與控制系統(tǒng)中的TCP服務(wù)器進行通信，向TCP服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)和接收TCP服務(wù)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。本文選用EC20 R2.1 Mini PCIe-C(Audio版本)模塊。該模塊的工作電壓范圍在3.3～3.6 V，支持LTE-FDD/LTE-TDD等多種網(wǎng)絡(luò)制式。該模塊支持一路UART接口,支持一路(U)SIM接口,支持一路USB2.0接口,支持3個射頻天線接口,支持GPS定位功能。其功能框如圖6所示。

圖6 EC20 R2.1 Mini PCle-C功能框

3 軟件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計是軟件設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)，可靠高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計是系統(tǒng)安全和溫度性的前提，同時規(guī)范合理的數(shù)據(jù)庫設(shè)計不僅能提高數(shù)據(jù)的查詢效率也是后期大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的重要保障。本文系統(tǒng)采用的是MySQL數(shù)據(jù)庫，主要包括ilamp_device_info、ilamp_data、ilamp_region、ilamp_location、ilamp_heart_beat和user表等。

3.2 技術(shù)路線

通過功能的劃分，本文系統(tǒng)采用了基于B/S模型的3層結(jié)構(gòu)開發(fā)[12]，采用MVC框架[13]的設(shè)計模式和面向?qū)ο蟮腏ava語言進行業(yè)務(wù)邏輯代碼的編寫，數(shù)據(jù)庫使用的是MySQL，基于JeeSite開發(fā)框架來實現(xiàn)整個系統(tǒng)。將系統(tǒng)劃分為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。其中：表現(xiàn)層負責(zé)與用戶交互;業(yè)務(wù)邏輯層負責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯;數(shù)據(jù)訪問層則根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯層包含的相關(guān)指令對數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)訪問層包括MySQL和阿里云對象存儲OSS兩個部分，MySQL主要用來存儲數(shù)值型數(shù)據(jù)，OSS用來存儲圖片數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)邏輯層包括管理后臺業(yè)務(wù)邏輯、后臺業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)收集與控制命令發(fā)送服務(wù)。管理后臺業(yè)務(wù)邏輯主要負責(zé)系統(tǒng)管理相關(guān)模塊數(shù)據(jù)的增刪改查(CRUD);后臺業(yè)務(wù)邏輯主要負責(zé)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)的增刪改查操作;數(shù)據(jù)收集與控制命令發(fā)送服務(wù)主要負責(zé)接收設(shè)備終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)和向設(shè)備終端發(fā)送控制指令。具體的系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)整體技術(shù)架構(gòu)

3.3 功能模塊設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求分析和殺蟲燈管理的流程，將系統(tǒng)劃分為5大功能模塊。其中5大功能模塊又包含了多個子模塊，具體功能模塊如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)模塊劃分

3.3.1基本管理功能

基本管理功能主要包括用戶管理、區(qū)域管理和權(quán)限管理等。用戶管理由管理員錄入負責(zé)管理殺蟲燈的個人信息。權(quán)限管理則用來通過給角色賦予不同的菜單鏈接，通過由管理員給用戶分配不同的角色，同時一個用戶可以擁有不同的角色，不同的角色又擁有不同權(quán)限，因此具有較好的靈活性。用戶登錄系統(tǒng)后所看到的界面是基于該用戶所賦予的角色來進行訪問的。最后在區(qū)域管理中通過配置好的用戶與該用戶所管理的區(qū)域進行相應(yīng)的關(guān)聯(lián)，從而使得用戶能夠管理該區(qū)域的所有殺蟲燈設(shè)備。

3.3.2設(shè)備管理功能

設(shè)備管理功能主要由管理員負責(zé)錄入和管理所有的殺蟲燈設(shè)備，其中每個殺蟲燈擁有相應(yīng)的設(shè)備編號、設(shè)備型號、物聯(lián)網(wǎng)卡卡號等信息，可以實現(xiàn)對殺蟲燈設(shè)備的增刪改查功能。

3.3.3行政區(qū)劃功能

行政區(qū)劃功能負責(zé)將所有的殺蟲燈進行區(qū)塊化管理，使得用戶能夠查看自己管轄類的所有殺蟲燈設(shè)備，將行政區(qū)劃分為省級、市級、區(qū)縣、城鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村等5級，實現(xiàn)對殺蟲燈設(shè)備的精細化管理。用戶通過在地圖上切換不同的區(qū)域就能夠查看到該區(qū)域所關(guān)聯(lián)的所有設(shè)備。

3.3.4參數(shù)設(shè)備功能

參數(shù)設(shè)置功能主要包括最新數(shù)據(jù)管理和設(shè)備設(shè)置管理等功能。最新狀態(tài)管理能夠看到當(dāng)前殺蟲燈的最新工作狀態(tài)，包括啟用狀態(tài)、電池電壓狀態(tài)、燈管電流狀態(tài)、信號強度信息。用戶通過殺蟲燈顏色狀態(tài)的不同可以判斷當(dāng)前該殺蟲燈工作狀態(tài)是否正常。設(shè)備設(shè)置管理則對殺蟲燈的開關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)采集上傳的時間頻率進行控制，實現(xiàn)用戶對殺蟲燈設(shè)備的遠程控制。

3.3.5在線數(shù)據(jù)接收處理功能

在線數(shù)據(jù)接收處理功能主要接收由硬件設(shè)備將采集到的數(shù)據(jù)通過4G無線通信模塊傳送到遠端服務(wù)器和用戶通過Web端對殺蟲燈進行相應(yīng)的遠程控制的雙向操作數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的實現(xiàn)主要是通過Netty框架，編寫TCP服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和控制指令的發(fā)送。Netty是基于異步事件驅(qū)動的NIO框架[14-15]。

4 功能實現(xiàn)

通過監(jiān)測與控制系統(tǒng)查詢功能的實現(xiàn)，可以對殺蟲燈的最新工作狀態(tài)進行及時監(jiān)測。設(shè)備最新狀態(tài)監(jiān)測界面如圖9所示，主要展示了不同設(shè)備編號的殺蟲燈所對應(yīng)的啟用狀態(tài)、電池電壓狀態(tài)、燈管電流狀態(tài)等信息，用戶通過狀態(tài)顏色的不同可以直接判斷該殺蟲燈當(dāng)前工作狀態(tài)是否正常。例如當(dāng)顏色為綠色時表示正常，為紅色時表示異常。同時對于工作有異常的殺蟲燈，通過GPS快速定位功能可以準(zhǔn)確清楚地知道當(dāng)前設(shè)備所處的地理位置，從而快速地通知相關(guān)技術(shù)人員前往現(xiàn)場進行維修。GPS定位界面如圖10所示。殺蟲燈開關(guān)狀態(tài)及數(shù)據(jù)上傳頻率如圖11所示。

圖9 殺蟲燈最新狀態(tài)監(jiān)測界面

圖10 GPS定位界面

圖11 殺蟲燈狀態(tài)設(shè)置界面

5 結(jié) 語

本文設(shè)計一種物聯(lián)網(wǎng)殺蟲燈遠程狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)。通過利用各類傳感器對殺蟲燈各項工作參數(shù)進行定時的采集和利用4G無線通信模塊進行遠程實時傳輸，有效地解決了現(xiàn)有需要人工到現(xiàn)場去查看并檢測設(shè)備是否正常工作以及人工維護效率低下等問題。同時將Internet網(wǎng)絡(luò)和4G無線通信技術(shù)二者相結(jié)合，為分布在偏僻地理位置的殺蟲燈終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測控制提供了有效的技術(shù)解決途徑，具有一定的應(yīng)用前景和實用價值。此外，用戶可以通過在后臺監(jiān)測中心查看遠程傳輸?shù)默F(xiàn)場殺蟲圖片和殺蟲數(shù)量，通過觀察殺蟲效果從而靈活地遠程調(diào)整殺蟲燈的開關(guān)機時間，使得殺蟲效率達到最優(yōu)化，促進農(nóng)作物增產(chǎn)增收。