基于物聯網的農田蟲情及環境信息監測系統設計

張天鵬,侯凡博,李 根

（1.安陽工學院 電子信息與電氣工程學院，河南 安陽 455000；2.安陽市山貓自動控制技術研究服務有限公司，河南 安陽 455000）

0 引言

近年來，農業農村部持續推進“互聯網+”現代農業建設，推動農業生產數字化轉型。農業物聯網技術是實現農業生產過程信息化與數字化的重要技術手段，成為農業數字化研究的重要領域[1-2]。美國、以色列、英國、日本等農業水平較為發達的國家，農業物聯網已經得到了廣泛的發展，很多農業生產過程都已經達到了數字化和自動化的程度。我國學者對農業物聯網應用做了大量研究，許多科技成果得到應用。山東省淄博市臨淄區、吉林省長春市農安縣等地先后建設了生態無人農場，利用物聯網、云計算、人工智能、大數據等技術，實現了農場內作物生長環境、土壤狀態以及所有機具作業狀態的智能實時調控，推動了我國農業生產數字化進程[3-4]。本文設計了一種基于物聯網的農田蟲情及環境信息監測系統，可以對農田農作物病蟲害信息以及環境信息進行監測，為病蟲害自動監測預警、精準噴灑農藥等提供數據支持。

1 監測系統整體框架

監測系統主要由農業害蟲捕捉器、物聯網控制單元和云平臺應用中心構成，系統整體框架如圖1所示[5-6]。農業害蟲捕捉器主要由太陽能電池板、鋰電池、控制倉、誘捕倉、存儲倉、高壓包、金屬電網、紅外計數裝置等構成，通過性誘劑捕捉特定種類的農業害蟲，利用金屬電網對捕獲的農業害蟲進行擊殺。物聯網控制單元位于農業害蟲捕獲器的控制倉，主要由微控制器模塊、傳感器模塊、NB-IoT通信模塊等構成，其中傳感器模塊主要包括風向傳感器、風速傳感器、光照溫濕度傳感器、空氣質量傳感器等，用以監測農田環境中的風速、風向、溫濕度、光照、PM2.5、PM10等信息，并對擊殺害蟲的數量進行計數，微控制器模塊將獲取的監測數據通過NB-IoT通信網絡傳輸至云平臺應用中心。云平臺應用中心用于系統監測數據的存儲和統計，可以實時顯示農業害蟲捕殺數量、捕殺時間以及農田自然環境條件信息，并具有報表管理功能，方便用戶進行數據統計和分析。

圖1 系統整體框架

2 監測系統終端設計

2.1 監測系統終端整體設計

監測系統終端在設計時將害蟲捕捉器和物聯網控制單元進行有效整合，其中害蟲捕捉器主要負責誘捕農業害蟲，物聯網控制單元負責對捕殺的農業害蟲計數和農田環境信息采集，并通過NB-IoT網絡將監測數據上傳至云平臺應用中心，其總體結構設計如圖2所示。

圖2 監測系統終端總體結構圖

誘捕倉包括側誘捕倉和餌料倉。側誘捕倉呈豎直設置的圓柱形腔體，位于誘捕倉兩側。餌料倉位于誘捕倉中間，可以同時安裝2個誘劑棒，2個誘餌棒中間采用隔板隔開，并采用迷宮式通道與存儲倉連通，防止2個誘餌棒的氣味相互影響。農業害蟲受到誘劑棒的吸引，通過害蟲入口進入側誘捕倉，在通道內接觸到金屬電網，被高壓包釋放的高壓擊殺。被擊殺的農業害蟲從誘捕倉跌落至存儲倉，在此過程中利用紅外計數裝置對害蟲捕殺數量進行計數統計。當害蟲捕殺數量達到設定值時，物聯網控制單元中的控制器將通過電機驅動傾倒裝置，將存儲倉中被捕殺的農業害蟲進行傾倒。太陽能電池板為鋰電池充電，并為監測系統終端中各部分提供合適的工作電壓。為了能夠及時了解農田環境信息，監測系統終端還配備了風向、風速、光照、溫濕度、空氣質量等傳感器，通過控制器采集農田環境信息，并通過NB-IoT進行信息上傳。

2.2 物聯網控制單元設計

物聯網控制單元是整個監測系統的控制核心，主要用于實現農田環境參數采集、捕殺農業害蟲數量計數、傾倒裝置驅動、數據處理與存儲、數據通信等功能。在設計電路時，微控制器的選擇從高性能、低功耗、高性價比等角度出發，選用STM32F103ZET6處理器作為開發平臺。STM32F103ZET6是意法半導體（ST）公司生產的一款基于ARM Cortex-M3內核的32位嵌入式微控制器，內部集成了5路USART/UART、8路16位定時器、112個通用I/O等豐富的接口資源[7-8]。本設計主要使用了STM32F103ZET6的USART/UART接口和I/O接口，并通過定時器、中斷控制器等實現傳感器數據的讀取和控制信號的輸出。

2.2.1 風速監測電路設計

風速監測電路使用風速變送器GD-FS-RS485實現。GD-FS-RS485采用三杯式設計，使用聚碳酸酯復合材料殼體，具有機械強度大、硬度高、耐腐蝕等特點，測量量程為0～50 m/s，分辨率為0.1 m/s，動態響應時間小于0.5 s，啟動風速小于0.2 m/s，采用RS485通信接口和ModBus-RTU通信協議，工作電壓5～40 V DC。

GD-FS-RS485有4個引腳，分別為485-A、485-B、電源正和電源負，其接口電路設計如圖3所示。圖中的SP3485E是一款滿足TIA/EIA-485標準要求的RS-485收發器，具備開路失效保護、過溫保護、限流保護、過壓保護等功能，可以實現高達10 Mbps的無差錯數據傳輸。SP3485E的收/發使能控制信號與STM32F103ZET6的PG12連接，SP3485E的DI、RO分 別 與STM32F103ZET6的 PA9（USART1_TX）、PA10（USART1_RX）連接。PSM712是一款RS485接口靜電保護芯片，用以防止總線外部電壓過高，保護RS485收發器芯片。

圖3 GD-FS-RS485接口電路

2.2.2 風向監測電路設計

風向監測電路使用風向變送器GD-FXRS485實現。GD-FX-RS485采用高性能軸承，轉動阻力小，測量精確，動態響應速度小于0.5 s，工作電壓5～40 V DC，采集值分為0～7共8檔，分別對應北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個指示方向，輸出信號采用RS485數字接口方式。GD-FX-RS485有485-A、485-B、電源正和電源負4個引腳，通過SP3485E芯片與STM32F103ZET6連接，其中SP3485E的收/發使能控制信號與PG10連接，DI、RO分別與PB10（USART3_TX）、PB11（USART3_RX） 連 接。GD-FX-RS485工作電壓設置為12V DC。

2.2.3 光照溫濕度監測電路設計

光照溫濕度監測電路使用變送PR-3002-GZWS實現。PR-3002-GZWS內部集成了光照、溫度和濕度傳感器，其中光照強度測量量程為0-200000 Lux，測量精度為±7% Lux；溫度測量量程為（-40 ～ +60）℃，測量精度為±0.5℃；濕度測量測量范圍為0%～100%RH，測量精度為±3%RH。PR-3002-GZWS的工作電壓10～30 V DC，最大功耗0.4 W，輸出信號采用RS485數字接口方式，支持ModBus-RTU通信協議，具有測量范圍寬、線形度好、防水性能好、傳輸距離遠等優點。

PR-3002-GZWS有 485-A、485-B、 電 源正和電源負4個引腳，通過SP3485E芯片與STM32F103ZET6連接，其中SP3485E的收/發使能控制信號與PG13連接，DI、RO分別與PC10（UART4_TX）、PC11（UART4_RX） 連 接。PR-3002-GZWS工作電壓設置為12 V。

2.2.4 空氣質量監測電路設計

空氣質量監測電路使用多合一氣體傳感器模組M701實現。M701內部采用激光顆粒物傳感器、紅外非分光二氧化碳傳感器等，可以測量CO2、PM2.5、PM10等空氣質量參數，輸出信號采用RS485數字接口方式。CO2的測量范圍為400 ppm～5 000 mg/m3，測量精度為±3%+50 mg/m3；PM2.5的測量范圍為 0 μg/m3～999 μg/m3，測量精度為±10%；PM10的測量范圍為0μg/m3～1 000 μg/m3，測量精度為±10%。

M701的工作電壓為5 V DC，通過SP3485E芯片與STM32F103ZET6連接，其中SP3485E的收/發使能控制信號與PG15連接，DI、RO分別與PC12（UART5_TX）、PD2（UART5_RX）連接。

2.2.5 捕殺害蟲數量計數電路設計

捕殺害蟲數量計數電路采用紅外計數方式，使用漫反射光電開關E3Z-D61實現，其接口電路設計如圖4所示。E3Z-D61的工作電壓為5V DC，工作于常開模式，當無被檢測物時，E3Z-D61輸出高電平（5V），三極管S8050不導通，STM32F103ZET6的PG9為高電平（3.3V）；當被捕殺的害蟲通過光電開關時，E3Z-D61輸出低電平，三極管S8050導通，STM32F103ZET6的PG9為低電平。因此，當PG9由高電平跳變為低電平時，表示有被捕殺的害蟲通過光電開關，捕殺害蟲數量計數值加1。E3Z-D61的工作電壓為5 V，STM32F103ZET6的工作電壓為3.3 V，該電路使用S8050完成電平轉化。

圖4 E3Z-D61接口電路

2.2.6 通信接口電路設計

通信接口電路采用NB-IoT模組TAS-LTEE33V實現。TAS-LTE-E33V內部集成移芯通信NB-IoT單模芯片EC616，提供了符合ISO7816-3標準的SIM卡接口，自動識別3.0 V和 1.8VSIM卡，支持移動/聯通/電信全網通，支持TCP/UDP/MQTT/HTTP等多種網絡協議，可以通過串口與控制器通信，支持5～36 V DC寬電壓輸入。TAS-LTE-E33V的接口電路設計如圖5所示，采用12 V DC供電，并增加100 μF/63V電解電容和10 μF/50 V陶瓷電容，同時在VCAP端增加470 μF/63 V電解電容，以減少12 V 電源在脈沖電流作用期間的電壓跌落。TAS-LTE-E33V的串口接收端RXD1、串口發送端TXD1分別與STM32F103ZET6的 PA2（USART2_TX）、PA3（USART2_RX）相連[9-10]。

圖5 NB-IoT接口電路

2.3 電源電路設計

監測系統的各功能模塊工作電壓不同，包括12 V、5 V和3.3 V等3種不同的直流工作電壓。在電路設計時，采用太陽能和鋰電池相結合的供電方式，太陽能電池板為12V24AH的鋰電池充電，鋰電池輸出經過電源管理芯片AP1509-12進行穩壓，將輸出電壓穩定在12 V，為系統提供12 V工作電壓，然后使用LM1117-3.3、LM1117-5實現3.3 V和5 V穩壓輸出[11]，其電路設計如圖6所示，圖中的VIN表示鋰電池輸出電壓。

圖6 電源電路設計

3 監測系統軟件設計

3.1 物聯網控制單元軟件設計

物聯網控制單元軟件設計使用Keilu Vision V5.0作為集成開發環境，采用模塊化設計思想，使用C語言編程，主要由主程序循環和功能模塊程序構成，功能模塊程序以中斷程序為主，程序結構清晰，具有良好的可讀性和移植性，易于調試和維護，其主程序流程圖如圖7所示[12-13]。

圖7 主程序流程圖

控制單元上電復位后，微控制器首先完成CPU初始化，將復位向量裝載到程序地址寄存器，并完成系統自檢。系統自檢通過后，完成定時器、I/O端口、串口通信、NB-IoT模組等初始化操作。系統利用串口USART2與NB-IoT模組通信，并完成NB-IoT組網和云平臺注冊[14]。此后，控制系統進入主循環，通過中斷服務程序完成農田環境數據采集、捕殺害蟲數量計數、數據上報、數據接收等任務。當風速、風向、光照溫濕度、空氣質量等傳感器采集完數據后，通過RS485總線按照ModBus協議向微控制器傳送數據，微控制器收到數據后，保存至內部數據存儲器中。害蟲捕捉器誘捕到農業害蟲后，捕殺害蟲數量計數電路產生電平跳變，觸發微控制器內部計數器工作，完成捕殺害蟲數量統計，當捕殺害蟲數量達到50只后，系統輸出驅動信號使傾倒裝置動作。系統設定每隔120 s向云平臺發送一次數據，當定時器計時到120 s時，微控制器通過串口USART2與NB-IoT模組通信，以AT命令將捕殺害蟲數量、風向、風速、CO2、PM2.5、PM10等數據發送給NB-IoT模組，NB-IoT模組將數據打包處理后，使用TCP/IP協議上傳至云平臺。云平臺也可以通過NB-IoT將控制信息傳送至微控制器，以便遠程對微控制器進行參數設置。

3.2 云平臺應用軟件設計

本系統的云服務器采用阿里云的ECS云服務器，采用Java語言中開發，采用Spring、Spring MVC和MyBatis框架技術以及JSP視圖技術構建Web網頁服務。通過TCP/IP網絡通信協議與監測系統終端進行數據通信，數據服務器對監測終端上傳的數據進行加工處理，并將數據保存到MySQL數據庫[15]。用戶通過Web應用實現數據顯示、數據查詢、數據統計、控制命令轉發等功能，其中監測數據顯示界面如圖8所示，農業害蟲捕殺數量月統計圖如圖9所示。

圖8 監測數據顯示界面

圖9 捕殺害蟲數量月統計圖

4 結論

本系統將農業害蟲誘捕器和窄帶物聯網NBIoT相結合，以STM32F103ZET6為控制核心，通過集成NB-IoT單模芯片EC616的TAS-LTEE33V模組將監測數據傳輸至阿里云服務器，在云服務器中完成Web網頁服務開發，實現了農業害蟲捕殺及數量統計、農田環境信息監測的信息化和自動化。本系統能夠滿足多種常見農業害蟲的捕殺和測報需要，同時可以對農田環境信息進行動態監測，為農業工作人員管理農田提供決策和參考。