基于物聯網技術的農業大棚燈光控制與害蟲誘殺系統

蔡紹博 張軍 徐歡 蔡紹碩

摘? ? 要：基于物聯網技術的農業大棚燈光控制與害蟲誘殺系統，利用傳感器檢測溫室大棚的光照強度及溫濕度數值等環境參數，連接傳感器與單片機，通過單片機實現環境終端控制。當光照度數值低于設定的閾值時，單片機通過繼電器開啟照明燈光與誘蟲燈光，為誘蟲燈光外圍的高壓電網供電，達到滅殺害蟲的目的。文章介紹了大棚燈光控制與害蟲誘殺技術及其設計，以供參考。

關鍵詞：物聯網技術;農業大棚;燈光控制;害蟲誘殺

文章編號：1005-2690（2022）07-0104-04? ? ? ?中國圖書分類號：S477? ? ? ?文獻標志碼：B

近年來，隨著國內外物聯網技術、5G通信技術以及IPV6的興起，利用傳感器及傳感網絡等技術實現農作物生長環境的智能檢測已經成為主流。在大規模溫室大棚農業中，使用光控等現代科學技術實現高效集約化種植已較為普遍。應用現代智能化農業技術對農業生產加速發展具有重要意義。

1 大棚燈光控制與害蟲誘殺技術說明

基于物聯網技術實現農業大棚燈光控制與害蟲誘殺系統，主要運用傳感器環境檢測技術、CC2530單片機技術、ZigBee無線網絡技術、Cortex-A9嵌入式網關技術、燈光誘蟲技術以及害蟲滅殺技術。終端通過傳感器檢測環境參數，傳感器是能夠感受規定的被測量，并按照一定規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置，利用物理效應、化學效應、生物效應，把被測的物理量、化學量、生物量等轉換成符合需要的電量。傳感器通過IO口與單片機連接，將檢測到的參數發送到單片機進行數據處理。

CC2530單片機是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）解決方案，能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點，通過RF收發器實現更遠距離的ZigBee無線數據傳輸。CC2530單片機通過IO口接收來自傳感器的環境參數，對數據進行數據幀的打包處理，通過ZigBee網絡將數據發送到網關的協調器節點。同時，通過對單片機代碼的燒錄設置環境參數的閾值，實現終端自動控制并設置控制指令，實現遠程控制。

ZigBee技術是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準，主要用于近距離、復雜度低、功耗低的雙向無線通信。通過網關節點的協調器自動建立網絡，終端的CC2530單片機掃描并加入網絡，雙向傳輸數據。

Cortex-A9嵌入式網關技術是一種新型的物聯網網關技術解決方案。Cortex-A9處理器能與其他Cortex系列處理器以及廣受歡迎的ARM MPCore技術兼容，因此能夠很好地延用包括操作系統/實時操作系統（OS/RTOS）、中間件及應用在內的豐富生態系統，從而減少采用全新處理器所需的成本。通過首次利用關鍵微體系架構方面的改進，Cortex-A9處理器提供了具有高擴展性和高功耗效率的解決方案。

燈光誘蟲技術是指通過昆蟲對不同波段光波的趨性不同這一特性，利用不同波段的光譜對昆蟲進行分類滅殺。傳統的滅蟲技術主要通過化學農藥對害蟲進行滅殺，但農藥很難被降解，所以對生態環境的破壞較大。隨著藥劑使用頻率的提高，害蟲會產生一定的抗藥性，影響農作物的生長。在新型技術不斷發展的背景下，更多相關人員通過物理手段防治害蟲，減少對環境的污染[1]。

2 大棚燈光控制與害蟲誘殺系統設計

2.1 系統總體方案設計

終端節點以單片機為核心，通過連接光照度傳感器檢測光照度參數，連接溫濕度傳感器檢測溫濕度;單片機通過代碼進行控制，設置環境參數的閾值，當傳感器檢測到的參數達到閾值時自動觸發控制系統。終端單片機通過ZigBee網絡進行數據傳輸，將終端節點的數據利用Z-stack協議棧傳輸到協調器節點。協調器通過SPI接口與嵌入式網關連接，將數據發送到嵌入式網關。嵌入式網關以Cortex-A9結構的處理器為網關核心，通過搭載控制觸摸屏實現數據的可視化，網關節點向終端節點發送控制指令，實現網關節點對終端設備的控制。同時，利用網關節點的網絡通信模塊遠程發送數據，使用戶終端實現遠程控制。

硬件設計分為終端燈光控制節點設計、害蟲滅殺節點設計和網關節點設計，軟件設計為Linux嵌入式軟件編程，如圖1所示，該系統具備以下功能。

1） 環境光感監測。利用OPT3001傳感器檢測溫室大棚的光照度參數，利用DHT11傳感器檢測溫室大棚的溫濕度參數。傳感器通過IO口與單片機相連，實現溫室大棚光照度參數的采集與傳輸。

2） 燈光自動控制。燈光的控制根據控制方式分為終端自動控制和遠程智能控制;根據燈光的用途分為作物光合燈光控制和誘蟲燈光控制。終端自動控制功能通過對終端單片機進行代碼燒錄，設置光照度參數閾值，當傳感器檢測到的光照度參數與設置的閾值不匹配時，自動觸發單片機對燈光繼電器的控制，實現燈光自動控制功能。遠程智能控制接收來自用戶端的控制命令，終端對協調器接收到的數據進行判斷，通過不同的控制指令實現不同的燈光控制功能，實現遠程控制。

3） 作物光合燈光控制。當光照度低于一定參數時，單片機自動開啟照明系統，也可以通過開發網關節點的嵌入式軟件進行智能控制。光強度和濕度主要影響光合作用的光反應，溫度影響酶活性主要影響暗反應。通過檢測到的溫濕度開啟最適合植物生長的照明燈光，提高植物的光合作用，以此促進植物生長。誘蟲燈光控制通過單片機控制，當光照傳感器檢測到光照過低時，開啟作物光合作用燈光和誘蟲燈誘殺害蟲。

4） 害蟲滅殺功能。通過誘蟲燈引誘害蟲，然后使用電網將其滅殺。據研究，不同夜行性昆蟲對不同波段光波的趨性不同，根據昆蟲的這一特性，利用單片機在不同季節及天氣開啟不同波段燈光引誘害蟲。通過高壓電網滅殺害蟲，在誘蟲燈外圍加裝高壓電網，當害蟲向誘蟲燈趨向性飛行時，觸碰到高壓電網即可完成對害蟲的滅殺。

5） 無線傳輸功能。由ZigBee終端距離無線傳輸和Wlan遠距離無線通信兩部分組成。智能終端節點與網關節之間通過ZigBee無線網絡進行無線傳輸，使用Z-Stack協議棧，實現多個終端節點向網關節點的數據傳輸;網關節點與云服務器之間通過WiFi網絡實現數據的傳輸，利用SimpleLink CC3200 MCU的WiFi網絡處理模塊發送數據。

6） 網關控制功能。以Cortex-A9結構的處理器為嵌入式網關的核心，搭載控制觸摸屏，通過Linux嵌入式開發進行界面開發和控制操作。網關節點協調器向終端節點發送控制指令，終端節點對指令進行判斷，并作出相應的控制操作。

2.2 系統終端節點設計

終端節點以單片機為核心，通過傳感器采集環境參數，通過連接繼電器控制溫室大棚的燈光以及害蟲滅殺設備的開關，使用ZigBee通信模塊實現數據的無線傳輸，如圖2所示。單片機采用CC2530單片機，主要由CPU和內存、時鐘和電源模塊、外設以及無線設備組成。CC2530單片機的工作電壓在2～3.6 V，電源模塊通過電池對整個終端節點供電，摒棄傳統的電源布線，整個系統更加簡潔。通過傳感器模組檢測環境參數，光照度傳感器檢測溫室大棚光照度，溫濕度傳感器檢測溫室大棚溫濕度。

作物照明設備和害蟲滅殺設備通過繼電器與單片機相連。作物照明設備包括450 nm的藍光LED和660 nm的紅光LED，可控制植物從發芽到營養生長再到開花的整個過程。害蟲滅殺設備包括誘蟲燈和高壓電網，高壓電網包裹在誘蟲燈的外圍。通過對單片機進行代碼燒錄實現自動控制，單片機根據檢測到的光照度判斷是否打開照明設備，根據檢測到的溫濕度自動調節作物照明設備。誘蟲燈通過單片機獲取到的光照度參數自動開啟，根據不同害蟲出沒的時間段及季節性對單片機進行代碼燒錄。在對應的時間段開啟相應的誘蟲燈光，同時開啟高壓電網，電網由不銹鋼方形豎網連接，豎絲直徑2 mm，電網電壓6 KV±500 V，設有電網過流短路保護裝置。當溫濕度傳感器檢測到的空氣濕度大于95%時，高壓電網自動斷電，避免因為空氣擊穿，造成電路短路以及人體觸電。代碼通過時鐘模塊計時，每5 s觸發1次環境參數的發送函數，通過ZigBee通信模塊無線傳輸數據，使用Z-Stack協議棧通信，實現多個終端節點向網關節點的數據傳輸，并且利用RF收發器擴大ZigBee網絡的通信范圍[2]。

2.3 系統網關節點設計

網關節點的硬件設計由ZigBee協調器和Cortex-A9結構的嵌入式網關兩部分組成。以CC2530單片機作為ZigBee網絡的協調器節點，通過BSB接口與Cortex-A9網關連接，實現協調器節點的供電，供電電壓為2～3.6 V。通過ZigBee通信模塊接收來自終端節點的環境參數，將數據發送到8051MCU進行數據處理，然后通過串口將數據發送到Cortex-A9網關。Cortex-A9網關主要由核心處理器、電源模塊、時鐘模塊、復位模塊、接口模塊、GPRS模塊、Wlan模塊以及控制觸摸屏組成，使用固定電源供電。

Cortex-A9網關采用Samsung Exynos 4412處理器，是一款四核A9架構的設計，4個核心中每個核心的運行頻率都有1.4 GHz，最高可達1.6 GHz，運算能力達到2 000 DMIPS。通過接口模塊USB接口與協調器進行連接，實現數據傳輸，獲取協調器節點的環境參數。時鐘模塊具有內部振蕩器的40.0 MHz晶振，通過計數器定時觸發函數，通過控制觸摸屏顯示數據，通過Android應用開發顯示終端節點的環境參數及向終端節點發送控制指令，使用存儲模塊存儲環境參數。GPRS模塊以及Wlan模塊實現遠程發送，用戶可以通過遠程設備查看及控制，如圖3所示。

2.4 遠程控制節點

采用B/S架構，用戶端通過網絡與網關節點通信，如圖4所示。網關節點是一個小型本地服務器，用戶端通過訪問瀏覽器，實時獲取網關節點的數據，并通過網絡實現遠程控制，控制終端作物照明設備和害蟲滅殺設備的開啟。

3 大棚燈光控制與害蟲誘殺系統測試

測試過程主要有自動控制功能測試、ZigBee通信測試，害蟲滅殺測試以及網關控制測試。

自動控制功能測試使用模擬法測試，通過人工改變環境參數測試終端節點是否會做出相應的調節。對光照度傳感進行物理遮蓋，當光照度數值降低到設定參數的2 000 Lx時，溫室燈光自動開啟;對溫濕度傳感器進行霧溉測試，當空氣濕度達到90%時，自動關閉電網供電，測試數據如表1所示。

ZigBee通信誤碼率測試是指對ZigBee網絡終端與協調器之間通信數據進行完整性測試，分別進行有障礙和無障礙通信測試。在空曠環境下有效通信距離為120 m，在有障礙物的環境下通信距離為100 m，測試數據如表2所示。

通過使用不同燈光進行害蟲誘殺測試，分別為黑光燈、紅光燈、綠光燈、黃光燈，在燈光外圍布置高壓電網，工作電網電壓為6 KV±500 V。測試可得出半翅目昆蟲和直翅目昆蟲對黑光燈的趨性最強，雙翅目昆蟲對紅光燈趨性最強，同翅目昆蟲對黃光燈的趨性最強，鱗翅目昆蟲對綠光燈的趨性最強，并且滅殺效果均達到80%以上，測試數據如表3所示。

4 結束語

通過研究傳感器技術、CC2530單片機、Cortex-A9嵌入式技術以及害蟲的趨光性，完成基于物聯網技術的農業大棚燈光控制與害蟲誘殺系統。本系統能夠根據作物的生長特點自動調節溫室大棚的光照強度，可以根據害蟲出沒的季節及時間段開啟對應的誘蟲燈光，針對性誘殺害蟲。終端實現自動控制后，網關節點可以遠程控制，通過觸摸屏觀測數據及發送控制指令，并且使用B/S架構實現遠端控制。

基于物聯網技術的農業大棚燈光控制與害蟲誘殺系統能通過改變終端節點的檢測傳感器，分級分層管理獲取的空間參數，實現更多的智能控制功能。這足以證明該系統涵蓋性高，采用的新方法、新思路不僅可以實現溫室大棚環境參數的智能調節和遠程操作，還可以廣泛運用于其他環境。

參考文獻：

[1]于海飛，張愛軍.基于MQTT的多協議物聯網網關設計與實現[J].國外電子測量技術，2019（11）：45-51.

[2]張淑艷，王超，肖萍萍，等.基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系統設計[J].產業與科技論壇，2014，13（23）：46-47.

（編輯：王雨荷）