杜寶強(qiáng)，張金堯

（1.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 100000；2.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232001）

0 引 言

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，自古以來便有“民以食為天”的說法，現(xiàn)如今糧食安全更是社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障。然而隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了耕地減少、農(nóng)業(yè)人口下降等諸多問題；且傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)效率低，產(chǎn)出量少，無法滿足當(dāng)前需要。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)代化、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)量的目的。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。在國(guó)內(nèi)，對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用一直與國(guó)際上的先進(jìn)水平齊頭并進(jìn)。在1996年，國(guó)家相關(guān)部門進(jìn)行聯(lián)合工作，組織并實(shí)施了“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”，提倡將傳感器和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用到我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中；同時(shí)，將它制定為國(guó)家級(jí)的重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。北京市科委啟動(dòng)了“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應(yīng)用”的相關(guān)項(xiàng)目，在對(duì)蔬菜進(jìn)行溫室生產(chǎn)種植時(shí)，將傳感器部署到溫室內(nèi)，用以監(jiān)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)。上海交大與中科院南京土壤研究所合作，提出了農(nóng)田熵情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架[1]。數(shù)十年來，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)展迅速，提交了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案，已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納，成為了標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國(guó)家之一。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為一種現(xiàn)代高新技術(shù)，能夠解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)面臨的問題，極大推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域科技水平的發(fā)展，使我國(guó)農(nóng)業(yè)由傳統(tǒng)粗放型轉(zhuǎn)變?yōu)榫?xì)化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已是大勢(shì)所趨。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。利用JY901S加速度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、GPS定位模塊和OV2640攝像頭等模塊，對(duì)農(nóng)田狀態(tài)進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在一定程度上實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動(dòng)采集。但是，由于農(nóng)田的范圍較大且環(huán)境復(fù)雜，需要多個(gè)傳感器共同作用，從而擴(kuò)大系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍，提高系統(tǒng)的實(shí)用性[2]。4G模塊收集到傳感器采集的數(shù)據(jù)后，將其以MQTT協(xié)議的方式無線遠(yuǎn)程傳輸?shù)皆品?wù)平臺(tái)[3]，由服務(wù)器的客戶端軟件顯示數(shù)據(jù)變化曲線，并設(shè)定固定時(shí)間周期進(jìn)行一次數(shù)據(jù)上報(bào)，從而保證傳輸信息的可靠性。客戶端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲(chǔ)，將采集到的信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到建立的文件夾，便于用戶查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)。同時(shí)用戶可以通過客戶端軟件下發(fā)命令來控制攝像頭模塊，查看農(nóng)田內(nèi)的環(huán)境信息。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源模塊、JY901S加速度傳感器模塊、單片機(jī)模塊、4G無線傳輸模塊、OV2640攝像頭模塊、GPS定位模塊和DHT11溫濕度傳感器模塊等模塊組成。

2.1 電源模塊

外部的輸入電壓在5～36 V之間，轉(zhuǎn)換成需要的12 V，然后經(jīng)由LM2596S降壓芯片降到5 V。電路如圖2所示。

圖2 12 V電壓轉(zhuǎn)換成5 V的內(nèi)部電壓電路

電源模塊分別為STM32模塊和4G傳輸模塊供電。將5 V的電壓經(jīng)MIC29302WU降壓芯片變換到3.6 V為4G模塊供電；輸出端的電壓可以根據(jù)實(shí)際需要，調(diào)整R4或者R5的電阻大小，進(jìn)而調(diào)整輸出電壓的大小，如圖3所示。

圖3 4G模塊供電電路

通過AMS1117降壓芯片將5 V的輸入電壓降到3.3 V，為STM32模塊供電，如圖4所示。

圖4 STM32模塊供電電路

2.2 JY901S加速度傳感器模塊

通過單片機(jī)處理模塊發(fā)出的相關(guān)信號(hào)，控制加速度傳感器，然后加速度傳感器依據(jù)其內(nèi)部控制寄存器相對(duì)應(yīng)的值，完成對(duì)周圍環(huán)境的震動(dòng)信號(hào)的采集。其中，信號(hào)的帶寬、采集的速度、通信的方式、數(shù)據(jù)輸出的格式等都由內(nèi)部控制寄存器來決定。

2.3 單片機(jī)模塊

系統(tǒng)采用STM32F407ZGT6單片機(jī)為主控芯片。單片機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，用來整合、傳輸和控制相關(guān)數(shù)據(jù)；同時(shí)，它也控制4G模塊，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)或服務(wù)器。

2.4 4G無線傳輸模塊

由于農(nóng)田范圍較大，采用4G無線傳輸方式，有利于數(shù)據(jù)的傳輸，且功耗較低、工作時(shí)間更長(zhǎng)。4G模塊使用移遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的EC20芯片，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗、高速率運(yùn)行。同時(shí)，采用的4G模塊可以與中國(guó)移動(dòng)的OneNET云平臺(tái)進(jìn)行連接，方便用戶查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[4]。

2.5 OV2640攝像頭模塊

OV2640攝像頭模塊可以與單片機(jī)通過串口相連接。用戶可通過客戶端軟件下達(dá)抓拍指令，激活攝像頭模塊，對(duì)發(fā)生入侵的區(qū)域及時(shí)進(jìn)行抓拍，同時(shí)將拍攝的照片存儲(chǔ)到文件夾，供用戶查看。

2.6 GPS定位模塊

當(dāng)檢測(cè)到震動(dòng)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)中的GPS模塊能夠及時(shí)定位到具體位置，用戶可以趕往相應(yīng)的區(qū)域驅(qū)趕入侵動(dòng)物。

2.7 DHT11溫濕度傳感器模塊

通過DHT11溫濕度傳感器模塊采集農(nóng)田的溫濕度信息，同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過4G模塊傳輸?shù)皆破脚_(tái)[5]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是為了對(duì)加速度傳感器采集到的農(nóng)田環(huán)境震動(dòng)數(shù)據(jù)和DHT11溫濕度傳感器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)變化，及時(shí)判斷周圍環(huán)境的變化，進(jìn)而對(duì)農(nóng)田區(qū)域是否有動(dòng)物闖入做出準(zhǔn)確判別。

3.1 JY901S測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

由于農(nóng)田為室外環(huán)境，在采集加速度信號(hào)的過程中，會(huì)受到周圍環(huán)境的影響或傳感器本身固有頻率等因素不可避免地會(huì)造成一定的噪聲。為了降低多種干擾噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響，本設(shè)計(jì)采用卡爾曼濾波方法對(duì)震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行降噪。經(jīng)過濾波信號(hào)，可得到較為準(zhǔn)確的加速度和角度變化信號(hào)，即系統(tǒng)模塊測(cè)量數(shù)據(jù)處理的最終結(jié)果[6]。

震動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件總共分為3個(gè)模塊：數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊、加速度計(jì)算模塊和角度計(jì)算模塊。震動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件讀取傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值加工和處理，得出傳感器測(cè)量到的加速度和角度變化信息。其框架如圖5所示。

圖5 震動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)框架

在震動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行初始化之后，隨即開始讀取JY901S傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行備份，防止被后續(xù)采集到的數(shù)據(jù)覆蓋；然后軟件對(duì)所讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等預(yù)處理；再通過加速度計(jì)算部分利用原始數(shù)據(jù)計(jì)算出模塊的三個(gè)軸方向的加速度；最后通過角度計(jì)算部分計(jì)算出模塊三個(gè)軸方向的角度變化。本文數(shù)據(jù)處理軟件的流程如圖6所示。

圖6 震動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)流程

3.2 云平臺(tái)搭建

云平臺(tái)在該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中完成用戶終端與網(wǎng)關(guān)設(shè)備交互數(shù)據(jù)信息的任務(wù)，能夠接收無線傳輸模塊收集到的農(nóng)田環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)，并將這些目標(biāo)溫濕度數(shù)據(jù)保存在云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)里，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)用戶端[7]；提供了基于HTTP協(xié)議的通信接口，用戶可以通過該接口向云服務(wù)器發(fā)送相應(yīng)的控制指令，或查詢?cè)品?wù)器上數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的溫濕度數(shù)據(jù)，并將Web端發(fā)送的指令反饋給設(shè)備，最終達(dá)到控制系統(tǒng)的目的[8]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

將系統(tǒng)布置在正常的室內(nèi)環(huán)境下，人為制造一定的干擾噪聲信號(hào)和一定幅度的震動(dòng)，對(duì)相關(guān)加速度以及角度變化信號(hào)進(jìn)行采集，然后對(duì)一定強(qiáng)度范圍的震動(dòng)信號(hào)進(jìn)行提取。實(shí)驗(yàn)中，需要采集多組數(shù)據(jù)，從而提取出相關(guān)的特征值；然后完成對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，并模擬不同幅度的震動(dòng)，測(cè)試系統(tǒng)的有效性以及系統(tǒng)識(shí)別大幅度震動(dòng)的可靠性[9-10]。

5 結(jié) 語

本文以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于4G的云平臺(tái)農(nóng)田環(huán)境及入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以很好地對(duì)農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)、識(shí)別及處理，具有一定的實(shí)用性與發(fā)展前景。