趙文旻

（上海農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，上海 201600）

鼠害是影響中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的生物災害之一，同時給人們的生活、畜舍、倉儲等帶來不良的影響，目前害鼠防治主要依賴化學藥物和機械捕鼠，雖然可以減少害鼠造成的損失，但同時也會帶來抗性產(chǎn)生、次要害鼠暴發(fā)、耐藥種群形成、生態(tài)污染等問題。

針對上述問題，利用害鼠棲息空間分布為聚集分布的特點，在害鼠主要棲息地布放捕鼠器，捕鼠器上安裝可檢測害鼠的傳感器，工作人員可以通過PC 端云平臺實時監(jiān)測捕鼠器狀態(tài)。如果捕捉到老鼠，工作人員可及時對捕鼠器進行清除和復位，方便捕鼠器再次使用；對于長時間未捕捉到老鼠的捕鼠器進行位置更換，尋找新的捕捉地點，提升其使用效率，解決鼠害調(diào)查工具不統(tǒng)一、時間不統(tǒng)一，傳統(tǒng)調(diào)查方法勞動強度大等問題，同時將布放在不同監(jiān)測點的捕鼠器收集到的數(shù)據(jù)實時上傳至中央服務器進行記錄和分析，建立捕鼠決策，為從根本上杜絕害鼠奠定基礎。

1 設計原則

1.1 安全性和可靠性

在系統(tǒng)設計時，要為操作系統(tǒng)、軟件等設置權(quán)限，確保系統(tǒng)能夠經(jīng)受有效性和安全性方面的考驗。另外要充分考慮前端設備的工作環(huán)境，智能捕鼠監(jiān)測系統(tǒng)可能布設在樓宇里，也可能布設在園區(qū)或野外，需要硬件設備具備較高可靠性來對抗不可預測的惡劣戶外環(huán)境，同時要滿足24 h 不間斷的工作要求。

除了軟硬件設備的安全性和可靠性外，還要重點考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性及可靠性，主要體現(xiàn)在傳感器監(jiān)測準確度和遠程通訊水平方面。

1.2 開放性和可擴展性

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速發(fā)展，系統(tǒng)設計應該遵循模塊化思想，使各功能模塊能夠最大限度保持相對的獨立性和靈活性，軟件、硬件要都能夠滿足系統(tǒng)升級或功能模塊增減的需求。

2 系統(tǒng)功能

2.1 實時監(jiān)測

系統(tǒng)的監(jiān)測對象為捕鼠夾，因此可以按照一定的時間周期上傳捕鼠器的狀態(tài)信息，同時可以結(jié)合直觀的地理信息系統(tǒng)圖，對監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)的前端設備進行統(tǒng)一管理維護。

2.2 自動預警

系統(tǒng)可以預先設定報警規(guī)則，或預先設計自檢元件，如遇到供電電池電量低于設定閾值、無線通訊斷開等情況，將報警信息發(fā)送到監(jiān)測中心或相關(guān)人員的移動客戶端上，便于管理人員及時進行系統(tǒng)維護。

2.3 統(tǒng)計分析

通過對系統(tǒng)積累的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，可查找到害鼠出沒頻繁地域，分析出害鼠窩穴，從根本上滅鼠，提升機械捕鼠的效率。

3 系統(tǒng)設計

將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在捕鼠場景中，通過傳感器的精準監(jiān)測和可靠的無線通訊方式傳輸，將檢測到的數(shù)據(jù)信息通過云平臺獲得有關(guān)害鼠活動及捕鼠器狀態(tài)的實時信息，可以控制捕鼠器，并追蹤老鼠的具體方位，進行高效率滅鼠，降低人工成本，提升工作效率。

系統(tǒng)整體由感知層、網(wǎng)絡層、應用層3 部分構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。圖中給出了3 種無線通訊技術(shù)，以適應不同的應用場景。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)實時智能捕鼠監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 前端設備設計

系統(tǒng)前端設備（捕鼠盒）如圖2 所示，內(nèi)置終端捕鼠器（鼠夾）、微控制單元（MCU）、傳感器、通訊模組、電源等模塊，捕鼠盒的設計要符合老鼠的生理特點，如設計洞型通道引導鼠類進入，并在通道中放置誘餌捕鼠器，其他電子模塊要與鼠類活動空間隔離，避免損壞器件。

圖2 系統(tǒng)捕鼠盒

系統(tǒng)的監(jiān)測對象為捕鼠夾，除了正常情況下捕捉到老鼠是閉合的狀態(tài)外，鼠夾有可能由于其他原因而閉合，一旦鼠夾閉合，捕鼠系統(tǒng)必須及時發(fā)送警報，進行人工復位，以提升捕鼠效率。監(jiān)測鼠夾閉合的過程，實際上就是鼠夾開閉角度變化的過程，所以傳感器的選擇尤為重要。

3.1.1 傾角傳感器

傾角傳感器用來測量相對于水平面的傾角變化量，一般可分為單軸和雙軸2 類，單軸傾角傳感器只能測量繞一個軸產(chǎn)生的角度變化，雙軸可以測量相對于2 個軸的角度變化。因此，傾角傳感器可以水平安裝也可以垂直安裝，根據(jù)安裝方式不同，單軸和雙軸傾角傳感器測量的角度也不同。雙軸可以測量翻轉(zhuǎn)和俯仰角；而單軸在選擇水平安裝時只能測翻轉(zhuǎn)角或俯仰角，如果單軸選擇垂直安裝就只能測翻轉(zhuǎn)角，無法測量俯仰角。目前市場上單軸傾角傳感器居多，并且測量精度高，其工作原理如圖3 所示。

在初速度已知的情況下，可以通過積分的方法得出線速度，進而求得其直線位移，因此傾角傳感器實際上是一種利用慣性原理的加速度傳感器，當傾角傳感器靜止時，側(cè)面和垂直方向沒有加速度作用，只有重力加速度，重力垂直軸與加速度靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。如圖3 所示，當傾角傳感器發(fā)生角度傾斜時，重力加速度沿斜面的分量為Ax，在X方向產(chǎn)生θ的角度，重力加速度為1g，根據(jù)三角函數(shù)的關(guān)系得出θ=arcsin(Ax/1g)，由此可推算出傾斜的角度。

圖3 單軸傾角傳感器原理圖

當然對于本系統(tǒng)監(jiān)測鼠夾是否閉合不必精確到具體的角度值，市面上也有許多傾斜傳感器輸出是開關(guān)量，其閾值也可以人為確定，滿足鼠夾狀態(tài)監(jiān)測要求。

話又說回來，如果你沒有一顆大心臟，沒有足夠的知識儲備和超乎眾人的智商，沒有強健的體魄，就不要盲目地拓寬、經(jīng)營自己的人生斜杠。與其花費大量的時間與精力去挖許多淺井，何如花同樣的時間、精力，去挖一口深井？

3.1.2 傾斜滾珠開關(guān)

傾斜滾珠開關(guān)是一種機械式感應開關(guān)，精度上遠遠不及傾角傳感器，但是其優(yōu)點為微型、低功耗、性價比高、功能單一穩(wěn)定，在生活中應用十分普遍，型號種類也十分豐富。以常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關(guān)（如圖4 所示）為例，其原理如圖5 所示。

圖4 常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關(guān)

圖5 YT-JM-ODX 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

當傾斜滾珠開關(guān)水平放置時，呈常開狀態(tài)（電路處于斷開狀態(tài)），金屬滾珠被限位臺階限位而完全置于凹槽形容腔內(nèi)，金屬滾珠與導電凸點不接觸，傾斜滾珠開關(guān)處于斷開狀態(tài)；當傾斜滾珠開關(guān)傾斜時，金屬滾珠根據(jù)傾斜的角度要求從凹槽形容腔中滾動露出與導電凸點接觸，傾斜滾珠傳感開關(guān)處于導通狀態(tài)，起到觸發(fā)電路的功能，滿足使用需要。

上述2 種傾斜傳感器都能夠有效監(jiān)測出鼠夾的閉合狀態(tài)，但是使用時對鼠夾的放置狀態(tài)有一定的要求，適用于方便水平或垂直放置系統(tǒng)前端設備的場景，比如農(nóng)田、樓宇、倉庫等。對于相對復雜惡劣的監(jiān)測環(huán)境，如垂直或彎曲布設的管道等場景的監(jiān)測，系統(tǒng)前端設備的布設初始狀態(tài)可能本身就帶有一定角度，且不同終端的放置傾斜角度也會有差異，因此可以考慮能夠動態(tài)監(jiān)測鼠夾閉合動作的傳感器，如陀螺儀、姿態(tài)傳感器等。

3.2 傳輸層設計

無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，一般可分為局域通信技術(shù)和低功耗廣域通信技術(shù)。根據(jù)捕鼠監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測范圍不同，可選用不同的無線傳輸方式。當系統(tǒng)前端設備部署范圍為小型園區(qū)、倉儲、樓宇等場景時，可選擇無線局域通信技術(shù)，如Wi-Fi，可采用高集成度Wi-Fi 模塊ESP8266 作為通訊模組，ESP8266 是32 位的微控制單元（MCU），可以獨立運行或從屬于從機搭載于其他主機MCU 上，既可以獨立訪問網(wǎng)絡也可以搭配其他主控制器接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線傳輸[1]。

當系統(tǒng)前端設備部署范圍為大規(guī)模農(nóng)田、大型園區(qū)或區(qū)域時，要采用低功耗廣域通信技術(shù)（LPWAN），LoRa 和NB-ⅠoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是目前應用最為廣泛的2 種技術(shù)，它們都具備低功耗、廣覆蓋、海量連接的特點。LoRa 技術(shù)工作與非授權(quán)頻段下，不能直接接入公共網(wǎng)絡，更適用于專用的網(wǎng)絡。

3.3 應用層設計

應用層設計主要進行系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的展示及報警信息的推送。云平臺在云計算基礎設施上為用戶提供軟件開發(fā)、運行、運營環(huán)境的服務，降低了對開發(fā)者知識體系的要求和開發(fā)成本及難度，極大提高了產(chǎn)品開發(fā)的敏捷性，實現(xiàn)應用的快速開發(fā)和部署，同時云平臺為應用的完整運行壞境和管理機制提供保障，提高系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性及可用性。

阿里云是針對物聯(lián)網(wǎng)領域開發(fā)人員推出的設備管理平臺，它提供了豐富的設備管理功能、穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)存儲能力及規(guī)則引擎，僅需在Web 上配置簡單的規(guī)則，即可將設備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至阿里云其他產(chǎn)品，從而獲得數(shù)據(jù)采集、計算、存儲的全棧服務，其數(shù)據(jù)分析功能既可以設置數(shù)據(jù)處理任務，也可以將設備數(shù)據(jù)實時在二位地圖或三維模型上展示出來，真正實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應用的靈活快速搭建。在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺中，終端設備可以通過3 種網(wǎng)絡協(xié)議進行接入，分別為MQTT協(xié)議、CoAP 協(xié)議和 HTTPS 協(xié)議[3]。

中國移動OneNET 定位為PaaS（平臺即服務），在物聯(lián)網(wǎng)應用和真實設備之間搭建高效、穩(wěn)定、安全的應用平臺，面向設備時能適配多種環(huán)境和常見傳輸協(xié)議，并提供各類硬件終端的快速接入方案和設備管理服務；面向應用時能提供豐富的APⅠ（應用程序編程接口）和數(shù)據(jù)分發(fā)能力以滿足各種應用系統(tǒng)的開發(fā)要求，可使開發(fā)者更專注與自身應用的開發(fā)，而不用過多關(guān)注設備接入層的環(huán)境搭建，從而縮短物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的形成周期，降低研發(fā)和運維成本。OneNET 提供了非常穩(wěn)定的設備接入服務，支持包括LWM2M（CoAP）、MQTT、Modbus、HTTP 等在內(nèi)的多種協(xié)議。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用中，MQTT 協(xié)議使用非常廣泛，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協(xié)議）是一種基于客戶端/服務器的消息發(fā)布/訂閱模式的“輕量級”通訊協(xié)議，它構(gòu)建在TCP/ⅠP協(xié)議上，能提供無損和有序的雙向連接，其代碼簡單并且僅占有很少的網(wǎng)絡帶寬，可以在有限的帶寬下連接遠程設備，能夠提供穩(wěn)定、可靠、及時的在線消息發(fā)送服務，適合在低性能的遠程設備以及網(wǎng)絡條件惡劣的環(huán)境中使用，目前在中國工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，MQTT 已經(jīng)成為首選的云通信協(xié)議。

MQTT 協(xié)議實現(xiàn)非常靈活，使用方便，如圖6 所示。實際上MQTT 協(xié)議中共有3 種身份，即發(fā)布者、代理和訂閱者，發(fā)布者和訂閱者可統(tǒng)稱為客戶端，用于發(fā)送和接受消息，其中訂閱者為物聯(lián)網(wǎng)設備，可以為個人服務器、傳感器、通訊模組、客戶端等終端設備，所有訂閱者都可以訂閱其中一個訂閱者發(fā)布的信息；代理介于訂閱者和發(fā)布者之間，負責信息的管理與流轉(zhuǎn)，它能夠接收訂閱者發(fā)布的信息，并能夠?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)發(fā)推送給訂閱相應主題的客戶，在本系統(tǒng)中使用的公有云平臺充當代理這一角色。

圖6 MQTT 通信協(xié)議實現(xiàn)

應用層除了具有捕鼠監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示及統(tǒng)計功能，還可結(jié)合地理信息系統(tǒng)實現(xiàn)定位顯示整個系統(tǒng)的功能，根據(jù)監(jiān)測點的地理坐標在地圖中實時顯示設備的位置及各參數(shù)狀態(tài)。同時報警管理功能也十分重要，鼠夾閉合時需要向管理人員移動終端或控制中心進行報警信息的推送，當誘餌質(zhì)量不足、誘餌長時間未消耗、電源模塊電量不足時也應及時進行警報。

不僅要對監(jiān)測終端上傳的數(shù)據(jù)進行簡單的存儲，還應進行監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，數(shù)據(jù)統(tǒng)計包括硬件設施情況統(tǒng)計、報警情況的統(tǒng)計等，并可根據(jù)客戶需求形成可視化圖表，能進行日數(shù)據(jù)、周數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)的直觀展示，并且對所有的數(shù)據(jù)進行橫向和縱向的比較，為后續(xù)的管理決策提供依據(jù)[4]。

數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計的最終目的是對鼠害趨勢進行分析，根據(jù)前端設備的部署，可全面反映某區(qū)域面積范圍內(nèi)的鼠害數(shù)量、分布情況和變化趨勢等情況，由此可以篩選出重點管理的對象，為鼠害的監(jiān)測和控制提供依據(jù)。

4 總結(jié)與討論

傳統(tǒng)的捕鼠方式主要有鼠夾法、粉劑法、粘捕法等，捕鼠情況的監(jiān)測主要采用手動監(jiān)測，是由合格技術(shù)人員定期完成的，但是這種監(jiān)測和搜捕的人工費用很高、勞動強度大、不連續(xù)，并且缺乏實時識別的能力。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用在捕鼠場景中，可實現(xiàn)害鼠活動及捕鼠器狀態(tài)信息的實時獲取，使鼠情的監(jiān)測更加便捷、實時、高效，監(jiān)測的結(jié)果也更加準確直觀。同時，智能捕鼠監(jiān)測系統(tǒng)能夠區(qū)域性、長期地進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)可以對鼠類的危害程度、活動規(guī)律等進行科學客觀的評估，為鼠害防控決策提供依據(jù)。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的深入應用，可在系統(tǒng)前端設備中增添體重檢測、溫濕度檢測、高清攝像頭等模塊，利用基于機器視覺的模式識別系統(tǒng)，對高清攝像頭采集的害鼠行為視頻序列圖像進行分析、建模，再利用建模解析害鼠的行為數(shù)據(jù)，實現(xiàn)害鼠分類。同時也可以利用大數(shù)據(jù)的挖掘分析方法，將特征相近的鼠類聚為一類，利用深度學習的方法對多分類的鼠類圖像進行建模訓練，實現(xiàn)高精度鼠類識別分類。智能捕鼠檢測系統(tǒng)終端可以實時獲取害鼠影像、活動規(guī)律、體重、環(huán)境參數(shù)、地理坐標等信息，通過智能識別系統(tǒng)完成對害鼠種類的鑒定和分類統(tǒng)計，這樣智能捕鼠監(jiān)測系統(tǒng)可以進一步反映監(jiān)測區(qū)域鼠害的種類、數(shù)量分布特點，甚至可以從更加細致的時間維度，結(jié)合光照、溫濕度、食物條件等參數(shù)，統(tǒng)計出不同種類害鼠季節(jié)性變化動態(tài)、區(qū)域環(huán)境變化的鼠害狀態(tài)以及害鼠晝夜活動規(guī)律，更全面地掌握各區(qū)域害鼠的群落結(jié)構(gòu)和活動規(guī)律，為科學精準的鼠害防治奠定基礎[5]。