物聯網殺蟲燈遠程狀態監測與控制系統的設計與實現

張志得 冷自洋 朱 城 朱澤德 蘇亞輝

1(安徽大學電氣工程與自動化學院 安徽 合肥 230601) 2(中科院合肥技術創新工程院 安徽 合肥 230088) 3(安徽大學電子信息工程學院 安徽 合肥 230601)

0 引 言

隨著現代化農業規模的不斷發展壯大，為了減少病蟲害對農作物產量的影響，出現了許多農業病蟲害的防治方法，如物理防治、化學防治和生物防治等[1-2]。燈光誘殺是市場上主要的物理防治的方法之一[3]。目前殺蟲燈大多在無人看管的野外工作，地理位置較偏僻，從部分地區的推廣情況來看，這種推廣使用的方式存在著后期維護困難的問題[4-5]。同時也沒有建立統一共享的后臺中央數據管理中心，用戶無法及時了解殺蟲燈的最新工作狀態；另一方面，由于殺蟲燈內部結構的復雜性，無法準確地定位到故障發生的位置和惡劣天氣下斷電自我保護的功能，增加了設備維護的困難性，無法對殺蟲燈進行智能化管理，限制了殺蟲燈使用效果和使用效率的提升。沒有使殺蟲燈在植保方面的作用得到充分發揮，不能夠完全適應我國農業與物聯網相結合的發展趨勢。閆真月等[6]和馬仟等[7]分別進行了溫室LED殺蟲監測系統和基于WSN的分布式太陽能殺蟲燈遠程控制系統的研究與設計，該系統主要實現對殺蟲燈的殺蟲數量進行監測和殺蟲燈的工作環境數據以及捕捉現場的殺蟲照片的監測，缺乏對殺蟲燈工作狀態的實時監控以及對殺蟲燈的遠程控制。

在現有相關理論研究的基礎之上，本文通過硬軟件相結合的方式，實現了殺蟲燈電池裝置的自我保護和遠程狀態的監測和控制，從而提高了殺蟲燈裝置工作的穩定性、便捷性，節省了大量的勞動力，進一步提高了滅蟲的效率。

1 系統整體架構

整個系統分為兩大部分，設備終端系統和監測與控制系統。設備終端系統負責采集殺蟲燈工作狀態的各種數據，通過4G無線通信[8]模塊將數據發送到監測與控制系統中。監測與控制系統接收到數據后，借助應用服務器、數據庫服務器將數據存儲進數據庫中，用戶便可以通過PC端或移動端查看殺蟲燈的各項工作狀態以及進行開關機等操作。圖1為系統整體架構。

圖1 系統整體架構

2 硬件設計

采用環保節能的太陽能電池板對太陽能LED殺蟲燈進行供電，系統硬件的整體結構如圖2所示，總體電路分為以下三大部分：(1) 系統的供電電源由蓄電池和太陽能電池板共同組成；(2) 控制器包括4G無線通信模塊、DHT11[9]溫濕度檢測模塊、攝像頭模塊等；(3) 殺蟲燈電路部分，分別包含了高壓電擊網和LED燈柱，如果采用碰撞式殺蟲燈則沒有利用高壓電進行殺蟲。太陽能電池和蓄電池共同組成了太陽能LED殺蟲燈的電源供電系統，兩者容量的大小直接關系到殺蟲燈工作時間的長短與使用效果。其容量大小主要依據殺蟲燈所處地理位置的天氣、日照強度等因素來進行設計[10]。

圖2 殺蟲燈終端設備系統硬件結構

2.1 設備終端系統核心功能實現流程

終端系統核心功能主要包括兩個方面，數據發送功能和指令接收與終端設備控制功能，實現流程如圖3所示。

圖3 終端系統核心功能實現流程

服務端指的是監測與控制系統，終端指的是設備終端系統。設備終端發送數據的流程主要是首先服務端和終端分別進行初始化，然后終端和服務端建立TCP連接，終端向服務端發送數據，如果服務端沒有成功接收，則重復發送數據，當重發次數超過3次時，判斷連接是否斷開，如果是則重新建立TCP連接[11]，否則盡快檢查問題所在。 指令接收與設備控制功能的實現流程首先也是系統初始化和TCP連接，連接成功后由服務端向終端發送控制指令，如果終端成功接收到指令后，便進行相應操作實現對設備的控制，如果未成功接收，則進行數據重發，重發超過3次則需要盡快檢查問題所在。

2.2 傳感器選型

微控制器搭載的傳感器較多，因此傳感器選型的好壞不僅關系到整個系統的穩定性和可靠性，同時也會影響系統的成本。經過生產成本的考慮和性能對比，最終選用的傳感器如下:

(1) 攝像頭模塊OV2640是選用某公司生產的CMOS UXGA圖像傳感器，該傳感器具有單片UXGA攝像頭和影像處理器的全部功能，由SCCB總線控制。用戶能夠對照片質量、傳輸方式和數據格式進行自由控制。其電路原理如圖4所示。

圖4 OV2640外圍電路圖

(2) DHT11溫濕度模塊選用的是一款已校準數字信號輸出的溫度復合傳感器，它應用專用的數字模塊技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與長期穩定性。該產品具有成本低、長期溫度、超快響應、抗干擾能力強等特點。其電路原理如圖5所示。

圖5 DHT11電路原理圖

2.3 4G無線通信模塊

該系統使用4G模塊主要負責同監測與控制系統中的TCP服務器進行通信，向TCP服務器發送數據和接收TCP服務器發送過來的數據。本文選用EC20 R2.1 Mini PCIe-C(Audio版本)模塊。該模塊的工作電壓范圍在3.3～3.6 V，支持LTE-FDD/LTE-TDD等多種網絡制式。該模塊支持一路UART接口,支持一路(U)SIM接口,支持一路USB2.0接口,支持3個射頻天線接口,支持GPS定位功能。其功能框如圖6所示。

圖6 EC20 R2.1 Mini PCle-C功能框

3 軟件設計

3.1 數據庫設計

數據庫的設計是軟件設計的一個重要環節，可靠高效的數據結構設計是系統安全和溫度性的前提，同時規范合理的數據庫設計不僅能提高數據的查詢效率也是后期大數據分析應用的重要保障。本文系統采用的是MySQL數據庫，主要包括ilamp_device_info、ilamp_data、ilamp_region、ilamp_location、ilamp_heart_beat和user表等。

3.2 技術路線

通過功能的劃分，本文系統采用了基于B/S模型的3層結構開發[12]，采用MVC框架[13]的設計模式和面向對象的Java語言進行業務邏輯代碼的編寫，數據庫使用的是MySQL，基于JeeSite開發框架來實現整個系統。將系統劃分為表現層、業務邏輯層和數據訪問層。其中：表現層負責與用戶交互;業務邏輯層負責實現系統的業務邏輯;數據訪問層則根據業務邏輯層包含的相關指令對數據庫進行相應的操作。數據訪問層包括MySQL和阿里云對象存儲OSS兩個部分，MySQL主要用來存儲數值型數據，OSS用來存儲圖片數據。業務邏輯層包括管理后臺業務邏輯、后臺業務邏輯和數據收集與控制命令發送服務。管理后臺業務邏輯主要負責系統管理相關模塊數據的增刪改查(CRUD);后臺業務邏輯主要負責設備相關數據的增刪改查操作;數據收集與控制命令發送服務主要負責接收設備終端發送過來的數據和向設備終端發送控制指令。具體的系統技術架構如圖7所示。

圖7 系統整體技術架構

3.3 功能模塊設計與實現

根據業務需求分析和殺蟲燈管理的流程，將系統劃分為5大功能模塊。其中5大功能模塊又包含了多個子模塊，具體功能模塊如圖8所示。

圖8 系統模塊劃分

3.3.1基本管理功能

基本管理功能主要包括用戶管理、區域管理和權限管理等。用戶管理由管理員錄入負責管理殺蟲燈的個人信息。權限管理則用來通過給角色賦予不同的菜單鏈接，通過由管理員給用戶分配不同的角色，同時一個用戶可以擁有不同的角色，不同的角色又擁有不同權限，因此具有較好的靈活性。用戶登錄系統后所看到的界面是基于該用戶所賦予的角色來進行訪問的。最后在區域管理中通過配置好的用戶與該用戶所管理的區域進行相應的關聯，從而使得用戶能夠管理該區域的所有殺蟲燈設備。

3.3.2設備管理功能

設備管理功能主要由管理員負責錄入和管理所有的殺蟲燈設備，其中每個殺蟲燈擁有相應的設備編號、設備型號、物聯網卡卡號等信息，可以實現對殺蟲燈設備的增刪改查功能。

3.3.3行政區劃功能

行政區劃功能負責將所有的殺蟲燈進行區塊化管理，使得用戶能夠查看自己管轄類的所有殺蟲燈設備，將行政區劃分為省級、市級、區縣、城鎮、鄉村等5級，實現對殺蟲燈設備的精細化管理。用戶通過在地圖上切換不同的區域就能夠查看到該區域所關聯的所有設備。

3.3.4參數設備功能

參數設置功能主要包括最新數據管理和設備設置管理等功能。最新狀態管理能夠看到當前殺蟲燈的最新工作狀態，包括啟用狀態、電池電壓狀態、燈管電流狀態、信號強度信息。用戶通過殺蟲燈顏色狀態的不同可以判斷當前該殺蟲燈工作狀態是否正常。設備設置管理則對殺蟲燈的開關狀態和數據采集上傳的時間頻率進行控制，實現用戶對殺蟲燈設備的遠程控制。

3.3.5在線數據接收處理功能

在線數據接收處理功能主要接收由硬件設備將采集到的數據通過4G無線通信模塊傳送到遠端服務器和用戶通過Web端對殺蟲燈進行相應的遠程控制的雙向操作數據。網絡傳輸功能的實現主要是通過Netty框架，編寫TCP服務器，實現數據的接收和控制指令的發送。Netty是基于異步事件驅動的NIO框架[14-15]。

4 功能實現

通過監測與控制系統查詢功能的實現，可以對殺蟲燈的最新工作狀態進行及時監測。設備最新狀態監測界面如圖9所示，主要展示了不同設備編號的殺蟲燈所對應的啟用狀態、電池電壓狀態、燈管電流狀態等信息，用戶通過狀態顏色的不同可以直接判斷該殺蟲燈當前工作狀態是否正常。例如當顏色為綠色時表示正常，為紅色時表示異常。同時對于工作有異常的殺蟲燈，通過GPS快速定位功能可以準確清楚地知道當前設備所處的地理位置，從而快速地通知相關技術人員前往現場進行維修。GPS定位界面如圖10所示。殺蟲燈開關狀態及數據上傳頻率如圖11所示。

圖9 殺蟲燈最新狀態監測界面

圖10 GPS定位界面

圖11 殺蟲燈狀態設置界面

5 結 語

本文設計一種物聯網殺蟲燈遠程狀態監測與控制系統。通過利用各類傳感器對殺蟲燈各項工作參數進行定時的采集和利用4G無線通信模塊進行遠程實時傳輸，有效地解決了現有需要人工到現場去查看并檢測設備是否正常工作以及人工維護效率低下等問題。同時將Internet網絡和4G無線通信技術二者相結合，為分布在偏僻地理位置的殺蟲燈終端設備的數據采集與監測控制提供了有效的技術解決途徑，具有一定的應用前景和實用價值。此外，用戶可以通過在后臺監測中心查看遠程傳輸的現場殺蟲圖片和殺蟲數量，通過觀察殺蟲效果從而靈活地遠程調整殺蟲燈的開關機時間，使得殺蟲效率達到最優化，促進農作物增產增收。