基于物聯網的蔬菜病蟲害實時監控系統設計

唐雅娜

（廣州軟件學院，廣東廣州 510990）

隨著農業生產的發展速度增加，病蟲害的防治變成了一個不容忽視的問題。因此，開展病蟲害防治迫在眉睫。實施病蟲害防治需要掌握病蟲害的組成，根據當前病蟲害種類和生物生態特點來進行防治[1]。在病蟲害防治方面，需要徹底提高農田的防控水準，將最新研發的監測技術和病蟲害處理方法應用其中，從傳統的人工調查到病蟲害綜合防治，都需要高級監測人工調查和計算機模擬相結合，再向計算機模擬過渡。在預測結果的要求上，需要進行專項預測，才能達成更好的效果。因此，需要基于物聯網設計新的蔬菜病蟲害監測系統來有效防治病蟲害，改善生態環境，適應經濟發展[2]。

1 硬件設計

1.1 CC2430 芯片

隨著物聯網技術的出現以及集成電路技術的迅速發展，部分可以保持性能的單片機出現了其中以TI 公司開發的CC2430無線單片機為突出代表。該單片機與ZigBee2006 協議棧相結合，來滿足檢測需求。CC2430 單片機是最具競爭力的單片機[3]。CC2430 保持了CC2420 特點，其具有2 個串口，因此將CC2430單片機用在本文設計的系統中，來保證系統的性能。

1.2 濕溫度傳感器

防蟲智能傳感器系統的傳感器節點應實現采集溫濕度以及其他需要采集的類目關系，因此本系統選取了指定的濕溫度傳感器，該傳感器不僅可以檢測濕溫度，還能對目前的光照強度進行監測。由于組成該傳感器的元件靈敏度高，因此其在溫度傳感和信息采集方面有很高的準確度，經校準后設置其輸出數據的指定進制數目，除此之外將濕度與溫度數據整合，均可以用該傳感器輸出。

1.3 光照傳感器

病蟲害實時監控系統中還需要額外配置光照傳感器，來實時監測此時監測區域的光照強度，其還有光強的功能，本文設計的系統采用On9658F 光照傳感器，其具有可見光強和采集光強的優勢。根據On9658 的結構與功能的特異性，為其專門加入濾光片，目的是提高該光照傳感器的抗干擾性能，降低誤碼率，其還填充了納米材料，具有良好的光學過濾效果。

2 軟件設計

2.1 搭建實時監控平臺開發環境

在實時監控網絡中，需要利用協調器來搭建實時監控平臺開發環境，來實現網絡建設，將接收到的數據發送到計算機后需要預先檢測此時的風險范圍，檢測使用GPRS 技術，將風險的范圍逐一劃分后才能進行下一步操作。環境采集需要在指定網絡中加入設計的預測節點，利用該節點收集此時的環境信息，實現環境采集[4]。此時使用指定的參數進行無線傳輸。由于采集環境需要核對采集的數據是否在監控范圍內，因此需要提前確定采集中需要使用的參數，這些參數是由IAR Embedded Workbench 程序編譯并輸出的。集成開發環境必須采用ZigBee模塊的ZigBee2006 協議棧，其開發環境必須基于Embedded 來調試。 Embedded 允許在調試時輸入其他選項，其支持空間大多在8 位數或16 位數左右[5]。

2.2 基于物聯網技術構建構建病蟲害實時監控網絡拓撲

實現病蟲害實時監測，必須要利用網絡中的實時監控節點，這些節點作為連通的橋梁實時傳遞監控到的病蟲害信息，因此本系統在物聯網的基礎上選取兩種不同形狀的拓撲結構用作實時監控節點的連接。這些監控節點不僅可以傳遞信息，而且還有通訊的作用，因此，每個監控節點必須有專屬的IP 地質，根據特殊的IP 地址來構建合理的實時監控方案，建立的拓撲結構如圖1 所示。

圖1 實時監控網絡拓撲

如圖1 所示，圖中顯示的各個節點都經過了逐層分化，每個節點都會進行統一分組，影像組的網絡地址不同，每個節點的地址都具有特異性。每個節點所處的網絡地址需要進行預先規劃，將整個網絡中的地址分解劃分，一般配備十六個地址，其固定值為0-0000。當網絡形成時，由于每個節點都有來自上級的分化和來自下級的分化，因此在網絡分配時往往十分麻煩，需要選用Z-Stack 協議來進行基礎分配，常規的分配網址有8 組，其均按照指定協議來劃分，劃分網絡地址后，將各個地址逐一分發，保證整個流程的運行完整度。

2.3 篩選計算機監測模塊

監測模塊主要利用ZigBee 組網技術來進行篩選，組網技術適用于小范圍通信中，具有協議緊湊，能耗低的優勢。在數據篩選方面，主要運用Zig Bee 組網技術進行不同節點之間的通信。Zig Bee 是一種短距離的低速無線傳輸協議，其中每個Zig Bee模塊都相當于一個縮小了無數倍的移動基站，不同的是，Zig Bee 的傳輸距離遠小于移動基站。在有效范圍內，每個Zig Bee模塊間可進行相互通信，可將某個Zig Bee 模塊設為路由節點，通過其實現Zig Bee 網絡與現有網絡的互聯，有效采集并監測數據。

第一步就是采集檢測模塊的相關參數，相關參數采集后需要經過安全的通道進行初次傳輸，傳輸的數據需要根據實時監控的情況作出相應的轉化，從而成功地被開發平臺采集。病蟲害防治智能傳感系統的上位機監控軟件選取LabVIEW，該監控軟件可以將不斷變化的參數轉換成固定的輸出曲線，方便后續對環境的觀測。除此之外，其不僅僅可以用于監控軟件的數據傳輸，還可用于其他功能模塊的傳輸。

還需要支持通過Internet 和交互式通信方式。實驗室可以使數據采集、監測和分析以及儀器控制變得非常簡單。數據采集器是在進行實驗的初期，將實時監控系統接收到的數據進行初步處理，在傳達到監測模塊中，監測模塊根據其自身的轉換功能將接受的數據轉換成預警信息，傳達到監控界面中，監控界面統一設置此時監測的參數、預警數據、網絡狀態、安全性能等，根據這些參數建立正確的拓撲結構，從而篩選計算機監測模塊。

2.4 選取GPRS 無線通訊預警

GPRS 技術與ZigBee 技術的結合，可以實現無線通訊的預警功能。無線通訊的預警過程分為幾個步驟，第一步是將預警模塊初步啟動，啟動后，通過SIM300S 來發送此時需要記錄的預警信息，引導預警接收模塊接收，第二步利用接收到的預警進行二次反饋，將預警數值通過指定的反饋裝置傳送回來。注意，只要CC2430 從1 到P1.7 發送一個低電壓信號，該低電壓信號應該必須進行額外的設定，第三步啟動該狀態下預警定位，利用電壓差值來平均預警中產生的信號波動。

協調器處理采集到的環境參數后，通過串口與SIM300S 模塊進行通信。本設計使用SIM300S 串口1，RTS 連接CTS，默認握手成功。由于在進行協調處理時，串口的AT 指令是不斷變化的，因此其可以利用CC243 來進行調節，接口實現對接后，將不同的指令利用不同的發射口輸出，輸出的指令可以控制協調器的狀態，除此之外，協調器在接收到指令后還會給串口回復反饋信息，以代表其成功的實施控制，并引導串口發送下一階段的指令，全部指令都完成后立即向指定用戶發送報警信息。

3 系統測試

3.1 測試準備

采用指定的網絡拓撲結構在農田選取合適的地點進行系統測試，提前將系統測試的環境進行記錄，將環境變化范圍設定到監測平臺的監測中心，安置好農田中的測試裝備后，將該裝置與實驗室進行連接，保證監測到的數據可以及時的傳輸到信息處理平臺，將數據傳輸的范圍控制在指定的距離內，以保證數據傳輸的有效性。還需要根據簇狀網絡結構圖設置節點類型，把1號路由節點安置在農田的外圍處，遮擋物少，便于保證通信質量，并使其它3 個節點監測范圍能夠覆蓋整個農田，最后注意保證子節點離父親節點的距離同樣在100m 以內，實驗設備如圖2所示。

圖2 實驗監測點

3.2 測試結果與討論

監測圖像如圖3 所示。

圖3 監測圖像

采集近一個月時間的蔬菜病蟲害監測數據，繪制其溫濕度和光照強度曲線，實驗結果如圖4 所示。

根據圖4 可知，本文設計的監控系統性能良好，能準確地采集監測數據，并實時發送監測信息，具有有效性。

圖4 實驗結果

結束語

綜上所述，病蟲害防治對我國的農業發展來說至關重要，進行正確的病蟲害防治可以提高農業生產量，避免其受到病蟲害困擾，本文基于物聯網設計了病蟲害實時監控系統，經檢測證明其性能良好，可以成功的實施病蟲害實時監測，且其運行工作穩定，數據采集準確，有一定的應用價值。