唐雅娜

（廣州軟件學(xué)院，廣東廣州 510990）

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展速度增加，病蟲(chóng)害的防治變成了一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。因此，開(kāi)展病蟲(chóng)害防治迫在眉睫。實(shí)施病蟲(chóng)害防治需要掌握病蟲(chóng)害的組成，根據(jù)當(dāng)前病蟲(chóng)害種類和生物生態(tài)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行防治[1]。在病蟲(chóng)害防治方面，需要徹底提高農(nóng)田的防控水準(zhǔn)，將最新研發(fā)的監(jiān)測(cè)技術(shù)和病蟲(chóng)害處理方法應(yīng)用其中，從傳統(tǒng)的人工調(diào)查到病蟲(chóng)害綜合防治，都需要高級(jí)監(jiān)測(cè)人工調(diào)查和計(jì)算機(jī)模擬相結(jié)合，再向計(jì)算機(jī)模擬過(guò)渡。在預(yù)測(cè)結(jié)果的要求上，需要進(jìn)行專項(xiàng)預(yù)測(cè)，才能達(dá)成更好的效果。因此，需要基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)新的蔬菜病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)有效防治病蟲(chóng)害，改善生態(tài)環(huán)境，適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 CC2430 芯片

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，部分可以保持性能的單片機(jī)出現(xiàn)了其中以TI 公司開(kāi)發(fā)的CC2430無(wú)線單片機(jī)為突出代表。該單片機(jī)與ZigBee2006 協(xié)議棧相結(jié)合，來(lái)滿足檢測(cè)需求。CC2430 單片機(jī)是最具競(jìng)爭(zhēng)力的單片機(jī)[3]。CC2430 保持了CC2420 特點(diǎn)，其具有2 個(gè)串口，因此將CC2430單片機(jī)用在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，來(lái)保證系統(tǒng)的性能。

1.2 濕溫度傳感器

防蟲(chóng)智能傳感器系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)實(shí)現(xiàn)采集溫濕度以及其他需要采集的類目關(guān)系，因此本系統(tǒng)選取了指定的濕溫度傳感器，該傳感器不僅可以檢測(cè)濕溫度，還能對(duì)目前的光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于組成該傳感器的元件靈敏度高，因此其在溫度傳感和信息采集方面有很高的準(zhǔn)確度，經(jīng)校準(zhǔn)后設(shè)置其輸出數(shù)據(jù)的指定進(jìn)制數(shù)目，除此之外將濕度與溫度數(shù)據(jù)整合，均可以用該傳感器輸出。

1.3 光照傳感器

病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中還需要額外配置光照傳感器，來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)此時(shí)監(jiān)測(cè)區(qū)域的光照強(qiáng)度，其還有光強(qiáng)的功能，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用On9658F 光照傳感器，其具有可見(jiàn)光強(qiáng)和采集光強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)On9658 的結(jié)構(gòu)與功能的特異性，為其專門加入濾光片，目的是提高該光照傳感器的抗干擾性能，降低誤碼率，其還填充了納米材料，具有良好的光學(xué)過(guò)濾效果。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境

在實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，需要利用協(xié)調(diào)器來(lái)搭建實(shí)時(shí)監(jiān)控平臺(tái)開(kāi)發(fā)環(huán)境，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)后需要預(yù)先檢測(cè)此時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)范圍，檢測(cè)使用GPRS 技術(shù)，將風(fēng)險(xiǎn)的范圍逐一劃分后才能進(jìn)行下一步操作。環(huán)境采集需要在指定網(wǎng)絡(luò)中加入設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)，利用該節(jié)點(diǎn)收集此時(shí)的環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)環(huán)境采集[4]。此時(shí)使用指定的參數(shù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。由于采集環(huán)境需要核對(duì)采集的數(shù)據(jù)是否在監(jiān)控范圍內(nèi)，因此需要提前確定采集中需要使用的參數(shù)，這些參數(shù)是由IAR Embedded Workbench 程序編譯并輸出的。集成開(kāi)發(fā)環(huán)境必須采用ZigBee模塊的ZigBee2006 協(xié)議棧，其開(kāi)發(fā)環(huán)境必須基于Embedded 來(lái)調(diào)試。 Embedded 允許在調(diào)試時(shí)輸入其他選項(xiàng)，其支持空間大多在8 位數(shù)或16 位數(shù)左右[5]。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建構(gòu)建病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，必須要利用網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)作為連通的橋梁實(shí)時(shí)傳遞監(jiān)控到的病蟲(chóng)害信息，因此本系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上選取兩種不同形狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用作實(shí)時(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的連接。這些監(jiān)控節(jié)點(diǎn)不僅可以傳遞信息，而且還有通訊的作用，因此，每個(gè)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)必須有專屬的IP 地質(zhì)，根據(jù)特殊的IP 地址來(lái)構(gòu)建合理的實(shí)時(shí)監(jiān)控方案，建立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

如圖1 所示，圖中顯示的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都經(jīng)過(guò)了逐層分化，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)進(jìn)行統(tǒng)一分組，影像組的網(wǎng)絡(luò)地址不同，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址都具有特異性。每個(gè)節(jié)點(diǎn)所處的網(wǎng)絡(luò)地址需要進(jìn)行預(yù)先規(guī)劃，將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的地址分解劃分，一般配備十六個(gè)地址，其固定值為0-0000。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成時(shí)，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有來(lái)自上級(jí)的分化和來(lái)自下級(jí)的分化，因此在網(wǎng)絡(luò)分配時(shí)往往十分麻煩，需要選用Z-Stack 協(xié)議來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)分配，常規(guī)的分配網(wǎng)址有8 組，其均按照指定協(xié)議來(lái)劃分，劃分網(wǎng)絡(luò)地址后，將各個(gè)地址逐一分發(fā)，保證整個(gè)流程的運(yùn)行完整度。

2.3 篩選計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)模塊

監(jiān)測(cè)模塊主要利用ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)來(lái)進(jìn)行篩選，組網(wǎng)技術(shù)適用于小范圍通信中，具有協(xié)議緊湊，能耗低的優(yōu)勢(shì)。在數(shù)據(jù)篩選方面，主要運(yùn)用Zig Bee 組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行不同節(jié)點(diǎn)之間的通信。Zig Bee 是一種短距離的低速無(wú)線傳輸協(xié)議，其中每個(gè)Zig Bee模塊都相當(dāng)于一個(gè)縮小了無(wú)數(shù)倍的移動(dòng)基站，不同的是，Zig Bee 的傳輸距離遠(yuǎn)小于移動(dòng)基站。在有效范圍內(nèi)，每個(gè)Zig Bee模塊間可進(jìn)行相互通信，可將某個(gè)Zig Bee 模塊設(shè)為路由節(jié)點(diǎn)，通過(guò)其實(shí)現(xiàn)Zig Bee 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，有效采集并監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

第一步就是采集檢測(cè)模塊的相關(guān)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)采集后需要經(jīng)過(guò)安全的通道進(jìn)行初次傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)需要根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的情況作出相應(yīng)的轉(zhuǎn)化，從而成功地被開(kāi)發(fā)平臺(tái)采集。病蟲(chóng)害防治智能傳感系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件選取LabVIEW，該監(jiān)控軟件可以將不斷變化的參數(shù)轉(zhuǎn)換成固定的輸出曲線，方便后續(xù)對(duì)環(huán)境的觀測(cè)。除此之外，其不僅僅可以用于監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)傳輸，還可用于其他功能模塊的傳輸。

還需要支持通過(guò)Internet 和交互式通信方式。實(shí)驗(yàn)室可以使數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)和分析以及儀器控制變得非常簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)采集器是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的初期，將實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，在傳達(dá)到監(jiān)測(cè)模塊中，監(jiān)測(cè)模塊根據(jù)其自身的轉(zhuǎn)換功能將接受的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成預(yù)警信息，傳達(dá)到監(jiān)控界面中，監(jiān)控界面統(tǒng)一設(shè)置此時(shí)監(jiān)測(cè)的參數(shù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、安全性能等，根據(jù)這些參數(shù)建立正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而篩選計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)模塊。

2.4 選取GPRS 無(wú)線通訊預(yù)警

GPRS 技術(shù)與ZigBee 技術(shù)的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊的預(yù)警功能。無(wú)線通訊的預(yù)警過(guò)程分為幾個(gè)步驟，第一步是將預(yù)警模塊初步啟動(dòng)，啟動(dòng)后，通過(guò)SIM300S 來(lái)發(fā)送此時(shí)需要記錄的預(yù)警信息，引導(dǎo)預(yù)警接收模塊接收，第二步利用接收到的預(yù)警進(jìn)行二次反饋，將預(yù)警數(shù)值通過(guò)指定的反饋裝置傳送回來(lái)。注意，只要CC2430 從1 到P1.7 發(fā)送一個(gè)低電壓信號(hào)，該低電壓信號(hào)應(yīng)該必須進(jìn)行額外的設(shè)定，第三步啟動(dòng)該狀態(tài)下預(yù)警定位，利用電壓差值來(lái)平均預(yù)警中產(chǎn)生的信號(hào)波動(dòng)。

協(xié)調(diào)器處理采集到的環(huán)境參數(shù)后，通過(guò)串口與SIM300S 模塊進(jìn)行通信。本設(shè)計(jì)使用SIM300S 串口1，RTS 連接CTS，默認(rèn)握手成功。由于在進(jìn)行協(xié)調(diào)處理時(shí)，串口的AT 指令是不斷變化的，因此其可以利用CC243 來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)，接口實(shí)現(xiàn)對(duì)接后，將不同的指令利用不同的發(fā)射口輸出，輸出的指令可以控制協(xié)調(diào)器的狀態(tài)，除此之外，協(xié)調(diào)器在接收到指令后還會(huì)給串口回復(fù)反饋信息，以代表其成功的實(shí)施控制，并引導(dǎo)串口發(fā)送下一階段的指令，全部指令都完成后立即向指定用戶發(fā)送報(bào)警信息。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試準(zhǔn)備

采用指定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在農(nóng)田選取合適的地點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，提前將系統(tǒng)測(cè)試的環(huán)境進(jìn)行記錄，將環(huán)境變化范圍設(shè)定到監(jiān)測(cè)平臺(tái)的監(jiān)測(cè)中心，安置好農(nóng)田中的測(cè)試裝備后，將該裝置與實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行連接，保證監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)可以及時(shí)的傳輸?shù)叫畔⑻幚砥脚_(tái)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶刂圃谥付ǖ木嚯x內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?。還需要根據(jù)簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖設(shè)置節(jié)點(diǎn)類型，把1號(hào)路由節(jié)點(diǎn)安置在農(nóng)田的外圍處，遮擋物少，便于保證通信質(zhì)量，并使其它3 個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍能夠覆蓋整個(gè)農(nóng)田，最后注意保證子節(jié)點(diǎn)離父親節(jié)點(diǎn)的距離同樣在100m 以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)

3.2 測(cè)試結(jié)果與討論

監(jiān)測(cè)圖像如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測(cè)圖像

采集近一個(gè)月時(shí)間的蔬菜病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制其溫濕度和光照強(qiáng)度曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

根據(jù)圖4 可知，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)性能良好，能準(zhǔn)確地采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)發(fā)送監(jiān)測(cè)信息，具有有效性。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，病蟲(chóng)害防治對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，進(jìn)行正確的病蟲(chóng)害防治可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)量，避免其受到病蟲(chóng)害困擾，本文基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)了病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)檢測(cè)證明其性能良好，可以成功的實(shí)施病蟲(chóng)害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且其運(yùn)行工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，有一定的應(yīng)用價(jià)值。