物聯網實時智能捕鼠監測系統設計

趙文旻

（上海農林職業技術學院，上海 201600）

鼠害是影響中國農業生產的生物災害之一，同時給人們的生活、畜舍、倉儲等帶來不良的影響，目前害鼠防治主要依賴化學藥物和機械捕鼠，雖然可以減少害鼠造成的損失，但同時也會帶來抗性產生、次要害鼠暴發、耐藥種群形成、生態污染等問題。

針對上述問題，利用害鼠棲息空間分布為聚集分布的特點，在害鼠主要棲息地布放捕鼠器，捕鼠器上安裝可檢測害鼠的傳感器，工作人員可以通過PC 端云平臺實時監測捕鼠器狀態。如果捕捉到老鼠，工作人員可及時對捕鼠器進行清除和復位，方便捕鼠器再次使用；對于長時間未捕捉到老鼠的捕鼠器進行位置更換，尋找新的捕捉地點，提升其使用效率，解決鼠害調查工具不統一、時間不統一，傳統調查方法勞動強度大等問題，同時將布放在不同監測點的捕鼠器收集到的數據實時上傳至中央服務器進行記錄和分析，建立捕鼠決策，為從根本上杜絕害鼠奠定基礎。

1 設計原則

1.1 安全性和可靠性

在系統設計時，要為操作系統、軟件等設置權限，確保系統能夠經受有效性和安全性方面的考驗。另外要充分考慮前端設備的工作環境，智能捕鼠監測系統可能布設在樓宇里，也可能布設在園區或野外，需要硬件設備具備較高可靠性來對抗不可預測的惡劣戶外環境，同時要滿足24 h 不間斷的工作要求。

除了軟硬件設備的安全性和可靠性外，還要重點考慮監測數據的安全性及可靠性，主要體現在傳感器監測準確度和遠程通訊水平方面。

1.2 開放性和可擴展性

物聯網技術快速發展，系統設計應該遵循模塊化思想，使各功能模塊能夠最大限度保持相對的獨立性和靈活性，軟件、硬件要都能夠滿足系統升級或功能模塊增減的需求。

2 系統功能

2.1 實時監測

系統的監測對象為捕鼠夾，因此可以按照一定的時間周期上傳捕鼠器的狀態信息，同時可以結合直觀的地理信息系統圖，對監測區域范圍內的前端設備進行統一管理維護。

2.2 自動預警

系統可以預先設定報警規則，或預先設計自檢元件，如遇到供電電池電量低于設定閾值、無線通訊斷開等情況，將報警信息發送到監測中心或相關人員的移動客戶端上，便于管理人員及時進行系統維護。

2.3 統計分析

通過對系統積累的監測數據進行分析，可查找到害鼠出沒頻繁地域，分析出害鼠窩穴，從根本上滅鼠，提升機械捕鼠的效率。

3 系統設計

將物聯網技術應用在捕鼠場景中，通過傳感器的精準監測和可靠的無線通訊方式傳輸，將檢測到的數據信息通過云平臺獲得有關害鼠活動及捕鼠器狀態的實時信息，可以控制捕鼠器，并追蹤老鼠的具體方位，進行高效率滅鼠，降低人工成本，提升工作效率。

系統整體由感知層、網絡層、應用層3 部分構成，其系統結構圖如圖1 所示。圖中給出了3 種無線通訊技術，以適應不同的應用場景。

圖1 物聯網實時智能捕鼠監測系統結構圖

3.1 前端設備設計

系統前端設備（捕鼠盒）如圖2 所示，內置終端捕鼠器（鼠夾）、微控制單元（MCU）、傳感器、通訊模組、電源等模塊，捕鼠盒的設計要符合老鼠的生理特點，如設計洞型通道引導鼠類進入，并在通道中放置誘餌捕鼠器，其他電子模塊要與鼠類活動空間隔離，避免損壞器件。

圖2 系統捕鼠盒

系統的監測對象為捕鼠夾，除了正常情況下捕捉到老鼠是閉合的狀態外，鼠夾有可能由于其他原因而閉合，一旦鼠夾閉合，捕鼠系統必須及時發送警報，進行人工復位，以提升捕鼠效率。監測鼠夾閉合的過程，實際上就是鼠夾開閉角度變化的過程，所以傳感器的選擇尤為重要。

3.1.1 傾角傳感器

傾角傳感器用來測量相對于水平面的傾角變化量，一般可分為單軸和雙軸2 類，單軸傾角傳感器只能測量繞一個軸產生的角度變化，雙軸可以測量相對于2 個軸的角度變化。因此，傾角傳感器可以水平安裝也可以垂直安裝，根據安裝方式不同，單軸和雙軸傾角傳感器測量的角度也不同。雙軸可以測量翻轉和俯仰角；而單軸在選擇水平安裝時只能測翻轉角或俯仰角，如果單軸選擇垂直安裝就只能測翻轉角，無法測量俯仰角。目前市場上單軸傾角傳感器居多，并且測量精度高，其工作原理如圖3 所示。

在初速度已知的情況下，可以通過積分的方法得出線速度，進而求得其直線位移，因此傾角傳感器實際上是一種利用慣性原理的加速度傳感器，當傾角傳感器靜止時，側面和垂直方向沒有加速度作用，只有重力加速度，重力垂直軸與加速度靈敏軸之間的夾角就是傾斜角。如圖3 所示，當傾角傳感器發生角度傾斜時，重力加速度沿斜面的分量為Ax，在X方向產生θ的角度，重力加速度為1g，根據三角函數的關系得出θ=arcsin(Ax/1g)，由此可推算出傾斜的角度。

圖3 單軸傾角傳感器原理圖

當然對于本系統監測鼠夾是否閉合不必精確到具體的角度值，市面上也有許多傾斜傳感器輸出是開關量，其閾值也可以人為確定，滿足鼠夾狀態監測要求。

話又說回來，如果你沒有一顆大心臟，沒有足夠的知識儲備和超乎眾人的智商，沒有強健的體魄，就不要盲目地拓寬、經營自己的人生斜杠。與其花費大量的時間與精力去挖許多淺井，何如花同樣的時間、精力，去挖一口深井？

3.1.2 傾斜滾珠開關

傾斜滾珠開關是一種機械式感應開關，精度上遠遠不及傾角傳感器，但是其優點為微型、低功耗、性價比高、功能單一穩定，在生活中應用十分普遍，型號種類也十分豐富。以常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關（如圖4 所示）為例，其原理如圖5 所示。

圖4 常開型YT-JM-ODX200TP 傾斜滾珠開關

圖5 YT-JM-ODX 內部結構示意

當傾斜滾珠開關水平放置時，呈常開狀態（電路處于斷開狀態），金屬滾珠被限位臺階限位而完全置于凹槽形容腔內，金屬滾珠與導電凸點不接觸，傾斜滾珠開關處于斷開狀態；當傾斜滾珠開關傾斜時，金屬滾珠根據傾斜的角度要求從凹槽形容腔中滾動露出與導電凸點接觸，傾斜滾珠傳感開關處于導通狀態，起到觸發電路的功能，滿足使用需要。

上述2 種傾斜傳感器都能夠有效監測出鼠夾的閉合狀態，但是使用時對鼠夾的放置狀態有一定的要求，適用于方便水平或垂直放置系統前端設備的場景，比如農田、樓宇、倉庫等。對于相對復雜惡劣的監測環境，如垂直或彎曲布設的管道等場景的監測，系統前端設備的布設初始狀態可能本身就帶有一定角度，且不同終端的放置傾斜角度也會有差異，因此可以考慮能夠動態監測鼠夾閉合動作的傳感器，如陀螺儀、姿態傳感器等。

3.2 傳輸層設計

無線通信技術是物聯網技術的重要組成部分，一般可分為局域通信技術和低功耗廣域通信技術。根據捕鼠監測系統監測范圍不同，可選用不同的無線傳輸方式。當系統前端設備部署范圍為小型園區、倉儲、樓宇等場景時，可選擇無線局域通信技術，如Wi-Fi，可采用高集成度Wi-Fi 模塊ESP8266 作為通訊模組，ESP8266 是32 位的微控制單元（MCU），可以獨立運行或從屬于從機搭載于其他主機MCU 上，既可以獨立訪問網絡也可以搭配其他主控制器接入網絡，實現無線傳輸[1]。

當系統前端設備部署范圍為大規模農田、大型園區或區域時，要采用低功耗廣域通信技術（LPWAN），LoRa 和NB-ⅠoT（窄帶物聯網）是目前應用最為廣泛的2 種技術，它們都具備低功耗、廣覆蓋、海量連接的特點。LoRa 技術工作與非授權頻段下，不能直接接入公共網絡，更適用于專用的網絡。

3.3 應用層設計

應用層設計主要進行系統監測數據的展示及報警信息的推送。云平臺在云計算基礎設施上為用戶提供軟件開發、運行、運營環境的服務，降低了對開發者知識體系的要求和開發成本及難度，極大提高了產品開發的敏捷性，實現應用的快速開發和部署，同時云平臺為應用的完整運行壞境和管理機制提供保障，提高系統或產品的可靠性及可用性。

阿里云是針對物聯網領域開發人員推出的設備管理平臺，它提供了豐富的設備管理功能、穩定可靠的數據存儲能力及規則引擎，僅需在Web 上配置簡單的規則，即可將設備數據轉發至阿里云其他產品，從而獲得數據采集、計算、存儲的全棧服務，其數據分析功能既可以設置數據處理任務，也可以將設備數據實時在二位地圖或三維模型上展示出來，真正實現物聯網應用的靈活快速搭建。在阿里云物聯網平臺中，終端設備可以通過3 種網絡協議進行接入，分別為MQTT協議、CoAP 協議和 HTTPS 協議[3]。

中國移動OneNET 定位為PaaS（平臺即服務），在物聯網應用和真實設備之間搭建高效、穩定、安全的應用平臺，面向設備時能適配多種環境和常見傳輸協議，并提供各類硬件終端的快速接入方案和設備管理服務；面向應用時能提供豐富的APⅠ（應用程序編程接口）和數據分發能力以滿足各種應用系統的開發要求，可使開發者更專注與自身應用的開發，而不用過多關注設備接入層的環境搭建，從而縮短物聯網系統的形成周期，降低研發和運維成本。OneNET 提供了非常穩定的設備接入服務，支持包括LWM2M（CoAP）、MQTT、Modbus、HTTP 等在內的多種協議。

在物聯網系統應用中，MQTT 協議使用非常廣泛，MQTT（Message Queuing Telemetry Transport，消息隊列遙測傳輸協議）是一種基于客戶端/服務器的消息發布/訂閱模式的“輕量級”通訊協議，它構建在TCP/ⅠP協議上，能提供無損和有序的雙向連接，其代碼簡單并且僅占有很少的網絡帶寬，可以在有限的帶寬下連接遠程設備，能夠提供穩定、可靠、及時的在線消息發送服務，適合在低性能的遠程設備以及網絡條件惡劣的環境中使用，目前在中國工業級物聯網系統中，MQTT 已經成為首選的云通信協議。

MQTT 協議實現非常靈活，使用方便，如圖6 所示。實際上MQTT 協議中共有3 種身份，即發布者、代理和訂閱者，發布者和訂閱者可統稱為客戶端，用于發送和接受消息，其中訂閱者為物聯網設備，可以為個人服務器、傳感器、通訊模組、客戶端等終端設備，所有訂閱者都可以訂閱其中一個訂閱者發布的信息；代理介于訂閱者和發布者之間，負責信息的管理與流轉，它能夠接收訂閱者發布的信息，并能夠將信息轉發推送給訂閱相應主題的客戶，在本系統中使用的公有云平臺充當代理這一角色。

圖6 MQTT 通信協議實現

應用層除了具有捕鼠監測數據的顯示及統計功能，還可結合地理信息系統實現定位顯示整個系統的功能，根據監測點的地理坐標在地圖中實時顯示設備的位置及各參數狀態。同時報警管理功能也十分重要，鼠夾閉合時需要向管理人員移動終端或控制中心進行報警信息的推送，當誘餌質量不足、誘餌長時間未消耗、電源模塊電量不足時也應及時進行警報。

不僅要對監測終端上傳的數據進行簡單的存儲，還應進行監測數據的統計與分析，數據統計包括硬件設施情況統計、報警情況的統計等，并可根據客戶需求形成可視化圖表，能進行日數據、周數據、異常數據、原始數據的直觀展示，并且對所有的數據進行橫向和縱向的比較，為后續的管理決策提供依據[4]。

數據采集與統計的最終目的是對鼠害趨勢進行分析，根據前端設備的部署，可全面反映某區域面積范圍內的鼠害數量、分布情況和變化趨勢等情況，由此可以篩選出重點管理的對象，為鼠害的監測和控制提供依據。

4 總結與討論

傳統的捕鼠方式主要有鼠夾法、粉劑法、粘捕法等，捕鼠情況的監測主要采用手動監測，是由合格技術人員定期完成的，但是這種監測和搜捕的人工費用很高、勞動強度大、不連續，并且缺乏實時識別的能力。將物聯網技術應用在捕鼠場景中，可實現害鼠活動及捕鼠器狀態信息的實時獲取，使鼠情的監測更加便捷、實時、高效，監測的結果也更加準確直觀。同時，智能捕鼠監測系統能夠區域性、長期地進行數據監測，結合大數據技術可以對鼠類的危害程度、活動規律等進行科學客觀的評估，為鼠害防控決策提供依據。

隨著大數據、人工智能技術在物聯網系統中的深入應用，可在系統前端設備中增添體重檢測、溫濕度檢測、高清攝像頭等模塊，利用基于機器視覺的模式識別系統，對高清攝像頭采集的害鼠行為視頻序列圖像進行分析、建模，再利用建模解析害鼠的行為數據，實現害鼠分類。同時也可以利用大數據的挖掘分析方法，將特征相近的鼠類聚為一類，利用深度學習的方法對多分類的鼠類圖像進行建模訓練，實現高精度鼠類識別分類。智能捕鼠檢測系統終端可以實時獲取害鼠影像、活動規律、體重、環境參數、地理坐標等信息，通過智能識別系統完成對害鼠種類的鑒定和分類統計，這樣智能捕鼠監測系統可以進一步反映監測區域鼠害的種類、數量分布特點，甚至可以從更加細致的時間維度，結合光照、溫濕度、食物條件等參數，統計出不同種類害鼠季節性變化動態、區域環境變化的鼠害狀態以及害鼠晝夜活動規律，更全面地掌握各區域害鼠的群落結構和活動規律，為科學精準的鼠害防治奠定基礎[5]。