基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統研究與設計

馬仟+田茂+唐文龍

摘 要：為解決傳統殺蟲的無人看管模式和低效率的人工維護等問題，文中設計了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統，該系統主要由太陽能殺蟲燈控制器、環境檢測模塊、攝像頭模塊OV2640、GPRS無線傳輸模塊、ZigBee無線組網模塊和后臺監控中心六大部分組成。與傳統殺蟲燈相比，它不僅能實現市面上殺蟲燈最基本的殺蟲功能，還可以實時采集殺蟲燈的工作環境數據信息以及捕捉現場殺蟲的圖片，并能將數據和圖片通過無線通信模塊遠程傳輸到后臺監控中心的新型智能化殺蟲燈控制系統。

關鍵詞：圖像采集；GPRS無線傳輸；ZigBee無線組網；環境檢測

中圖分類號：S477；TP273 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

傳統的農田滅蚊蟲裝置大都分布在地域廣闊的農村，這種裝置只能簡單殺死蚊蟲，它不僅需要人工到達現場去查看滅蟲效果并檢測設備是否正常，還無法實時反饋現場信息，不能在環境惡劣的情況下對滅蟲裝置進行自動化管理，且設備設計與管理無法適應野外惡劣環境，也沒有建立后臺數據中心，無法進行數據分析與挖掘。系統的效能沒有最大化，無法適應目前我國農業信息化與物聯網農業的發展趨勢。

如今市場上的農田殺蟲燈大多采用獨立工作模式，這種實現方式存在諸多弊端，如殺蟲點少、殺蟲范圍小、殺蟲點固定不可移動、維護工作量大、不能實現自動監測和管理等。本文為了解決傳統殺蟲燈設備存在的缺點，提出了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統。該系統可以根據實際需要多點分布在農田的各個角落，通過這種多點配合式的殺蟲模式可以靈活控制整個殺蟲系統，從而達到最優的殺蟲效果。采集的數據信息可以通過網絡傳輸到后臺信息中心，方便工作人員對其進行管理。這使得整個殺蟲燈控制系統變得可視化和網絡化，從而讓農田管理變得更加簡單化和智能化。

1 系統總體架構

該太陽能殺蟲燈遠程控制系統主要由分布式終端節點、分布式路由節點、網關模塊和監控中心四大部分組成。

（1）分布式終端節點包含多個終端節點，每一個終端節點都是一個太陽能殺蟲燈控制器，其主要用于數據的采集和對殺蟲燈的控制；

（2）分布式路由節點包含了多個路由節點，每一個路由節點都具備終端節點的功能，不僅能實現終端節點中的功能，還能中繼或路由其他終端節點的采集信息和控制信息，起到數據過渡作用；

（3）網關模塊主要由微處理器控制電路、ZigBee協調器模塊和GPRS模塊及攝像頭模塊組成，它是一個數據傳輸的中轉站，用于將ZigBee模塊采集的數據信息和攜帶的控制信息通過GPRS模塊傳輸出去；

（4）后臺信息中心用于存儲采集到的數據和控制信息，并通過網頁實現在線訪問。

該系統的總體架構如圖1所示。

2 硬件電路設計

本系統的硬件模塊主要包括太陽能殺蟲燈控制模塊、ZigBee無線組網模塊、GPRS模塊、攝像頭模塊和環境檢測模塊。其系統硬件框圖如圖2所示。

2.1 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用OV2640，其原理圖如圖3所示。該模塊具有體積小、工作電壓低、兼容I2C總線接口、支持圖像縮放、鏡頭失光補償、提供單片機UXGA攝像功能等特點，用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。該模塊主要負責實現對現場殺蟲畫面的實時捕捉，并通過分析害蟲的數量和種類來實時調整殺蟲燈的工作時間，以此來提高殺蟲效率。

2.2 GPRS無線傳輸模塊

GPRS無線傳輸模塊采用SIM900A集成模塊，其原理圖如圖4所示。其主要功能有語音通話、短信收發、GPRS網絡數據收發、彩信收發，主要應用在通訊領域，如移動電話、遠程數據監控、短信提醒發送。該模塊可以將攝像頭采集到的圖像數據和傳感器檢測到的環境參數通過GPRS模塊以TCP/IP網絡傳輸方式傳給監控中心。

2.3 ZigBee無線組網模塊

ZigBee無線組網模塊采用CC2530，其原理圖如圖5所示。該模塊具有功耗低、體積小、抗干擾能力強、組網方式靈活多變，實現過程簡單、安裝方便等優點。該無線組網模塊實現了在某農田區域內的數據采集傳輸功能，它可以根據現場的實際情況和需求，靈活分布在農田的各個位置，實現了定時、定點的多組配合式殺蟲，這種殺蟲模式可以靈活調整殺蟲燈的開啟時間，提高整體殺蟲的效果。

2.4 太陽能殺蟲燈控制模塊

太陽能殺蟲燈控制模塊主要由微處理器核心模塊、蓄電池充放電控制模塊、負載輸出模塊、充放電保護電路、負載保護電路等組成。其電路原理圖如圖6所示

2.5 環境檢測模塊

環境檢測模塊使用溫度傳感器DS18B20、濕敏傳感器HR202等檢測模塊，該模塊可以用來檢測太陽能殺蟲燈周圍的溫濕度、是否下雨等環境情況，從而解決控制器因溫度過高或者進水短路等自然因素造成的工作異常問題。

3 系統軟件設計

3.1 通信協議

在本系統中，分布式終端節點、分布式路由節點和網關模塊之間的通信主要采用ZigBee協議。該協議建立在IEEE 802.15.4標準基礎上，該標準定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC），而ZigBee 聯盟則定義了ZigBee協議的網絡層（NWK）、應用層（APL）和安全服務規范。

在網關和監控中心間主要采用TCP/IP協議，它是Internet的基礎協議，也是一種電腦數據打包和尋址的標準方法。該協議棧主要包括鏈路層（網絡接口層）、網絡層（互聯網層）、傳輸層和應用層四部分。對普通用戶來說，并不需要了解網絡協議的整個結構，僅需了解IP的地址格式即可與世界各地進行網絡通信。

3.2 軟件流程設計

軟件流程設計框圖如圖7所示。

4 結 語

本文針對農業殺蟲效果和環境監控對實時性、連續性、長期性、靈活性要求較高且范圍大的特點，提出了一種基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統。該系統采用ZigBee-GPRS相結合的遠程無線傳輸方式，將ZigBee局域網內的殺蟲燈狀態和采集的相關數據信息通過GPRS無線模塊采取TCP/IP方式傳輸到后臺信息中心，同時將這些數據進行相應的存儲和處理并返回給殺蟲燈控制器終端，從而起到分布式遠程監測和控制的作用。

由于采用了分布式網絡殺蟲策略，可以根據現場實際情況隨時調整殺蟲方式，靈活調整殺蟲燈的開啟時間，達到分布式殺蟲的效果，使其變得更靈活、更高效，同時也可以改變誘光燈光源的變化，達到定向殺蟲的目的，減少對有益昆蟲的殺害。

參考文獻

[1]黃帆.無線圖像數據傳輸系統設計與實現[D].成都：電子科技大學，2007.

[2]傅中君.嵌入式GPRS無線通信模塊的設計與實現[J].計算機工程與應用，2004，40（14）：162-165.

[3]雷陽，尚鳳軍，任宇森.無線傳感網絡路由協議現狀研究[J].通信技術，2009，42（3）：117-120.

[4]劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應用技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[5]李中華，王國占，齊飛.我國設施農業發展現狀及發展思路[J].中國農機化學報，2012（1）：7-10.

[6]黃慧燕.事件驅動型無線傳感網絡功耗分析及節能協議設計[D].成都：電子科技大學，2013.

[7]俞昌忠，陳躍東.基于WSN和GPRS遠程溫室大棚環境監測系統的研究[J].長春工程學院學報（自然科學版），2011，12（4）：42-46.

[8]徐利謀，黃長遠.基于GPRS和ZigBee的城市路燈監控系統研究與實現[J].物聯網技術，2016，6（6）：34-35.