農業蟲害自動測報終端的設計

包曉敏，呂文杰，夏海霞

（浙江理工大學信息學院，杭州310018）

農業蟲害自動測報終端的設計

包曉敏，呂文杰，夏海霞

（浙江理工大學信息學院，杭州310018）

為提高農業蟲害測報和防災減災能力，同時有效便利地獲得農業蟲害測報數據，設計了一種以PIC24F單片機為核心，基于SIM900A無線通信模塊的農業蟲害自動測報終端。經驗證，該終端不僅能夠實現蟲害數據的采集、存儲，分析處理以及蟲害數據的無線遠程傳輸，而且測報精度與傳統的人工測報相比得到提高。測報人員可以隨時隨地獲取測報終端所監測的蟲害數據，這不僅提升了我國農業蟲害測報能力，而且對我國農業經濟的發展有積極的影響。

SIM900A；PIC24F；蟲害測報；無線傳輸；數據采集

0　引 言

農業是支撐國民經濟建設與發展的基礎。隨著全球氣候變暖和生態氣候條件的變化，中國大部農作物蟲害發生呈擴大、加重趨勢［1］。有效便利地測報蟲害的發生時間和發生程度是制定治理措施的基礎。傳統的人工測報方法不但耗時、費力，而且導致的預報滯后會進一步增加損失程度［2］。因此為了有效防控蟲害，農業蟲害自動測報將是未來需要重點解決的關鍵問題。

在蟲害自動測報方面，國內外學者開展了各種相關研究。水果和受損糧食中可以檢測出害蟲的活動聲［3-4］，因此人們開始運用聲學技術進行蟲害檢測。由于分辨復合種類、多數量害蟲的聲信息困難，聲特征檢測大多用于水果、糧食等倉儲害蟲［5］的檢測。Gordon［6］發現昆蟲能夠產生雷達回波，基于該發現，蔣春先等［7］應用昆蟲雷達觀測了稻縱卷葉螟遷飛，顯然昆蟲雷達適用于遷飛害蟲的觀測，而不適用于田間作物蟲害精準測報。基于計算機圖像識別，張恩迪等［8］設計了一種適用于監測稻飛虱的蟲害智能監控系統，采用特定算法從拍攝圖片背景中提取稻飛虱病蟲數目，實現了稻飛虱數目的自動采集，但分析處理的圖像都為高質量的靜態圖像，不能夠滿足蟲害測報實時性的要求。

針對上述問題，本文設計了一種農業蟲害自動測報終端，實現蟲害數據有效便利地采集、分析處理、存儲以及實時無線遠程傳輸，從而實現對蟲害的自動檢測與預測預報，該終端涉及昆蟲性信息素，這為測報指定昆蟲提供了生物技術保證。本設計對于指導病蟲害防治，提高農業蟲害預測防控的準確率和減少農作物損害，指導我國的農業科學生產具有重大意義。

1　測報終端總體方案

農業蟲害自動測報終端的總體方案如圖1所示，該終端主要由蟲害數據采集和PIC24F單片機控制端組成。通過光電傳感器組采集信息并輸出到控制端PIC24F單片機，蟲害數據采集模塊在農田實現對農作物蟲害數據的采集。PIC24F單片機控制端對接收到的數據進行分析處理之后，通過SMS短消息方式或GPRS網絡方式將有效數據發送給蟲害測報人員，測報人員可以隨時隨地獲取測報終端所監測的蟲害數據。PIC24F單片機作為核心，負責上述功能模塊具體行為的控制。

圖1　農業蟲害自動測報終端總體方案

2　硬件設計

農業蟲害自動測報終端以PIC24F單片機為硬件的控制核心，附加外圍的電源以及數據采集模塊、數據分析處理模塊、SIM900A數據傳輸模塊、實時時鐘模塊以及片外存儲器模塊等構成硬件平臺。農業蟲害自動測報終端硬件設計如圖2所示。

圖2　農業蟲害自動測報終端硬件設計

2.1控制核心PIC24F單片機

Microchip公司生產的PIC24FJ256GB106［9］單片機的核心采用16位改進型哈佛結構，工作性能最高可達16MIPS，具有256KB片內閃存，16KB SRAM，選用該控制器使整個自動測報終端有較快的處理速度。且該單片機片上接口及通訊資源豐富，滿足農業蟲害自動測報終端設計需求。

2.2蟲害數據采集模塊

該模塊采用昆蟲性信息素作為誘餌，誘導害蟲通過由多個傳感器組成的數據采集通道，利用傳感器采集到的有效信號實現害蟲信息的檢測。害蟲信息自動檢測采用光電檢測方式，選用對射式、開關型紅外線光電傳感器，免去比較器、抗干擾等處理電路，可直接與單片機接口或邏輯芯片連接。光電傳感器檢測害蟲示意如圖3所示。

圖3　光電傳感器檢測害蟲示意

光電傳感器主要由分離的發射器和接收器組成，接口負責供電與數據輸出。當數據采集通道內無害蟲遮擋時，接收器能夠接收到發射器發出的紅外線；當數據采集通道內有害蟲時，接收器便接收不到紅外線，從而產生脈沖信號，并通過接口輸出給主控芯片。

基于昆蟲求偶過程中試探性接近的行為特性，該數據采集模塊還將微型直流電機與類似于縮小版蒼蠅拍的拍子組合成電動拍，如圖4所示。通過對直流電機加以控制，驅趕徘徊搖擺于數據采集通道入口處的害蟲，使其穿過數據采集通道，盡量避免害蟲逗留在通道入口處對正常數據采集產生影響。

圖4　電動拍結構示意

2.3SIM900A數據傳輸模塊

基于GSM/GPRS網絡的SIM900A數據傳輸模塊［10］，使得分布于田間的傳感器實現網絡化，蟲害信息可以跨越GSM/GPRS網絡傳輸到任何區域，實現蟲害信息跨地域的實時無線遠程測報。SIM900A采用省電技術設計，滿足需要長時間工作于野外農田的蟲害自動測報終端對于低功耗的要求。此外，該模塊內嵌TCP/IP協議，擴展的TCP/ IP AT命令讓用戶方便使用TCP/IP協議，可以縮短終端軟件開發周期，降低開發成本。

SIM900A無線通信模塊與PIC24FJ256GB106單片機采用半雙工異步通信方式進行數據傳輸。實際效果表明，SIM900A能夠快速地響應微控制器發送的AT指令。

2.4其他硬件電路設計

本設計中，除了上述模塊硬件設計，還有供電、實時時鐘電路、片外存儲電路以及人機交互等模塊的設計。為了實現長期不間斷地檢測蟲害信息以及提高蟲害測報終端的自動化程度，本終端采用太陽能供電方案，太陽能電池板將太陽能轉換為電能，為包括SIM900A數據傳輸模塊在內的整個測報終端供電。實時時鐘電路選用具有涓流充電能力的低功耗實時時鐘DS1302芯片，實現數據與出現該數據的時間同時記錄，這對測報終端檢測結果的分析及對異常數據出現的原因的查找具有重要意義。片外存儲器選用EEPROM存儲芯片24LC512，實現蟲害信息的暫存。人機交互采用鍵盤與液晶的結合，實現測報點相關信息輸入以及蟲害數據查詢功能。

3　軟件設計

本蟲害自動測報終端軟件主要實現功能是，分析處理并存儲數據采集模塊采集到的蟲害信息，并通過SIM900A無線通訊模塊發送攜帶有效蟲害信息的短信給測報人員，或是發送數據包到測報中心服務器。軟件設計采用模塊化的編程思想，主要包括有效蟲害數據獲取和SIM900A無線通信兩部分。其中，有效蟲害數據獲取通過數據采集、數據分析處理、數據存儲3個步驟實現。測報終端整體流程如圖5所示。

圖5　測報終端整體流程

3.1有效蟲害信息的獲取

農作物有效蟲害信息的獲取是農業自動測報以及精確防治得以實施的重要基礎。在農作物蟲害信息的采集過程中，受到自然氣候、野外復雜環境以及害蟲本身的行為特性等方面的干擾，使得有效蟲害信息的獲取精度降低，難度增加。因此，提高有效蟲害信息獲取的精度以及效率很有必要。本終端有效蟲害信息的獲取流程如圖6所示。

為了提高有效蟲害信息獲取的精度以及效率，本終端有效蟲害信息的獲取采取外部信號觸發中斷與定時掃描傳感通道協同工作的方式。每個蟲害自動測報終端周圍分布有4個數據采集通道，即蟲害入口通道，每個蟲害入口通道處都配置電動拍，通道內從外到內都有一對平行放置的光電傳感器。

當有害蟲進入任何一個通道，且當前系統處于空閑狀態的時候，8個光電傳感器至少有一個捕捉到信號，經過邏輯電路處理后產生一個脈沖，觸發控制核心PIC24F的外部事件中斷，中斷事件處理程序內讀取并記錄所有光電傳感器的當前狀態，并使能2 ms定時器中斷以及關閉外部事件中斷。定時中斷的主要作用是檢測信號的脈寬，用于蟲害信號分類。根據脈沖信號的脈寬，蟲害信號分為三類：小信號、大信號以及無效信號。當脈沖信號的脈寬低于最低脈寬閾值時，分類為無效信號，避免自然氣候、野外復雜環境造成的誤觸發引起的有效信息誤差；當脈沖信號的脈寬高于最高脈寬閾值時，分類為大信號，主要考慮長時間徘徊搖擺于數據采集通道入口處的害蟲引起的有效信息誤差；當脈沖信號的脈寬介于最低脈寬閾值與最高脈寬閾值時，分類為小信號，此類信號能夠及時得到處理，并且不會影響其他通道的數據采集，有效數據獲取效率較高。

如果觸發信號是外部傳感器捕捉到的蟲害信號，單片機對相應外部信號進行標記，并通過電機驅動電路控制相應電機轉動，實現電動拍轉動，將觸發了外部光電傳感器的害蟲趕入蟲害入口通道內部，避免逗留或搖擺在數據采集入口的害蟲產生干擾，造成有效蟲害信息誤差。如果觸發信號是內部光電傳感器捕捉到的信號，單片機查看相應外部信號記錄標記，判斷是否為有效信號，若外部信號有記錄標記，則為有效信號，存儲有效信息。實現數據存儲后或到達預設閾值時間，控制相應電機反向轉動，實現電動拍返回。終端在處理大信號的過程中，是通過單片機實時掃描光電傳感器的狀態，來實現數據的采集和記錄，以防丟失其他信號。光電傳感器捕捉到其他信號被記錄下來，進入排隊等待單片機處理。

3.2 無線通信的軟件實現

SIM900A無線通信模塊是數據傳輸部分的重要組成部分，控制器PIC24F通過AT指令對SIM900A通信模塊進行設置和操作［11］。本終端無線通信使用到的AT指令如表1所示。

圖6　有效蟲害信息的獲取流程

表1　AT指令表

有效蟲害信息無線傳輸流程如圖7所示。SIM900A與服務器首次建立TCP連接或者移動場景關閉后再次建立TCP連接之前，需要一個初始化的過程。這個過程分為啟動任務、激活移動場景、獲取本地IP地址3個步驟。這3個步驟可以由AT+ CIPSTART一次完成，也可以通過AT+CSTT、AT+CIICR、AT+CIFSR分步完成。在這些步驟執行完成后，AT+CIPSTART只進行連接操作。TCP連接建立完成之后，通過AT+CIPSEND以數據包的形式發送有效蟲害信息到服務器。數據成功發送之后，通過AT+CIPCLOSE、AT+CIPSHUT分別關閉TCP連接和移動場景。

圖7　數據發送流程

其中，有效蟲害信息數據包格式如表2所示。測報中心服務器可以通過唯一測報終端編號識別不同終端發來的數據包，并錄入數據庫或者做進一步的統計處理。

表2　數據包格式

4　結 語

本文設計一種農業蟲害自動測報終端，該終端基于SIM900A無線通信模塊，以PIC24F單片機為核心，實現對農作物蟲害數據的采集和無線遠程傳輸。農田現場測試結果表明該終端能夠有效便利地采集、分析處理、存儲以及實時無線遠程傳輸蟲害信息，實現了對蟲害的自動檢測與預測預報，提高了農作物蟲害測報效率，減少了測報人員工作量，降低了測報成本，有著廣闊的應用前景、重大的社會和生態效益。

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［10］A Company of SIM Tech.SIM900A_Hardware Design _V1.03［EB/OL］.（2011-10-25）［2015-01-29］.http：// wm.sim.com/upfile/20121129151745f.pdf

［11］A company of SIM Tech.SIM900A模塊AT命令手冊_V1.05［EB/OL］.（2011-10-25）［2015-01-29］.Http：// wm.sim.com/upfile/20111031144921.pdf.

Design of Crop Pests Automatic Detecting and Reporting Terminal

BAO Xiao-min，LU Wen-jie，XIA Hai-xia
（School of Information science and Technotogy，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

To improve the ability of crop pest detection，disaster prevention and mitigation，and effectively gain crop pests detecting and reporting data，we designed the crop pests automatic detecting and reporting terminal based on SIM900A wireless communication module by using PIC24F microcontroller as main control chip.Experiments show that the terminal can not just realize the acquisition，storage and analysis of crop pest data as well as data wireless remote transmission；besides，detecting and reporting precision improves，compared with traditional manual detecting and reporting.In anywhere and at any time，the operator can get the data monitored by the terminal.This can not merely improve the ability of crop pests detecting and reporting in our country，but also has positive effects on development of agricultural economy.

SIM900A；PIC24F；crop pest detecting and reporting；wireless transmission；data acquisition

TP274.2；S126

A

1673-3851（2015）06-0872-05

（責任編輯：陳和榜）

2015-01-29

國家自然科學基金項目（61402417）；農業公關項目（2011C10008）

包曉敏（1965-），女，浙江東陽人，教授，主要從事智能信息處理方面的研究。