果園蟲害監測系統硬件電路設計與實現

汪小威，肖超江，陳振燊

（南寧學院，廣西壯族自治區 南寧 530200）

隨著信息技術的高速發展，圖像識別技術在各個行業得到廣泛應用。以其在果園生產中的應用為例，當前國內果園生產中蟲害監測主要采用紅外計數方法，通過害蟲誘捕燈或誘餌誘捕害蟲，并記錄害蟲的個數，這種害蟲監控的方法精細化程度不夠，對后期決策提供的信息量不足，易造成決策錯誤。因此，果農希望能采用更有效的方法對果園內害蟲信息進行采集，并實施誘捕，同時對果園內的空氣、土壤等環境參數進行監測，保證果樹生長環境良好，推動農業向智能化方向發展。

歐美等發達國家，在農業信息化建設方面一直都非常重視，其科研水平高，科研設備先進，很多科研人員都對病蟲害防護進行了相關的研究，在蟲害防護方面優于國內水平，不僅能夠實現對農作物的環境元素進行監測，例如土壤、空氣、光照等，同時能對病蟲害等信息進行識別，監控和預測，為農作物的生長環境提供優良的保障。但國外害蟲監控識別多為本地化的底端解析系統，系統運營成本較高。

我國的農業信息化建設相比于發達國家較落后。在我國，對農業病害防治的研究還不夠重視，科研人員一般在小麥和玉米、水稻作物的研究較多，果園、蔬菜方面的病蟲害研究缺乏經驗，研究成果比較單一，研究的成果也較少用于實際防治工作中。

基于此，設計了一套基于STM32 的蟲害監測系統，該系統以STM32為主控，包括空氣溫濕度、光照度、土壤pH 值、蟲害監測、光誘捕、云平臺等模塊，經系統集成測試，實現了溫濕度采集、土壤pH 值檢測、光照度檢測、害蟲識別拍照、數據上傳云平臺等功能，具有實時性強、數據檢測準確等特點，市場前景廣闊。現將該系統設計介紹如下。

1 總體功能設計

基于STM32的蟲害監測系統包括空氣溫濕度采集、光照度采集、土壤綜合采集、光誘捕、蟲害監測、云平臺等模塊。通過上述模塊的實時運行，為果園提供外部環境的溫度、濕度、光照度、土壤溫度、土壤濕度、土壤pH 的實時監測，同時識別環境中的害蟲、統計和誘捕。系統總體框架見圖1。

圖1 系統總體框架圖Fig.1 Overall frame diagram of the system

2 核心模塊電路設計

硬件模塊包含了云平臺模塊（GM190 模塊）、蟲害監測模塊（k210）、空氣溫濕度采集模塊（AHT10 模塊）、光照度采集模塊（BH1750 模塊）、土壤綜合采集模塊（土壤環境值模塊）和光誘捕模塊（誘蟲燈），模塊間通過可拆式接口連接。

2.1 空氣溫濕度采集模塊電路設計

空氣溫濕度采集模塊為aht10 溫濕度傳感器，采用i2c協議通信。如下圖2 所示，模塊的SDA 引腳和SCL 引腳，分別與STM32 的I2C2_SDA（PA7）、I2C2_SCL（PA6）相連接。STM32 通過PA6、PA7 引腳輸出或讀取特定的電平，實現i2c時序讀取溫濕度值；在完全讀取完后，停止通訊。所得到的值通過提取，便可得到空氣溫濕度的值。該模塊電路設計見圖2。

圖2 空氣溫濕度采集模塊接口電路Fig.2 Air temperature and humidity acquisition module interface circuit

2.2 土壤綜合采集模塊電路設計

土壤綜合采集模塊由土壤傳感器和rs485 轉TTL 電路組成。土壤傳感器使用RS485 的A、B 差分傳輸數據，分別連接到RS485--＞TTL 電路上的A、B 接口，TTL 端連接單片機串口，即TTL_TX 接DEBUG_RX（PA10），TTL_RX 接DEBUG_TX（PA9）。如下圖3 所示，DEBUG_RX 和DEBUG_TX 的引腳對應為STM32 片上外設串口1，可通過串口協議與土壤綜合采集模塊通訊。STM32 使用串口1 DEBUG_TX 腳將數據送給土壤綜合采集模塊，模塊接收到確認命令后返回濕度數據，并通過DEBUG_RX 傳給STM32，STM32解碼后就可以獲取到當前的土壤濕度數據。

圖3 土壤綜合采集模塊接口電路Fig.3 Soil comprehensive collection module interface circuit

2.3 光誘捕模塊電路設計

光誘捕模塊硬件由2 部分組成：誘捕電路和控制電路。誘捕電路見圖4，電路由stc8G1k08a芯片及其外圍電路構成，其中WS2812_IO（P3.2）連接ws2812誘蟲燈的DI，用電平模擬ws2812 時序輸入燈的顏色數據；而IN_IO（P5.4）接STM32 的WS2812_DAT（PB8），當IN_IO 口讀到高電平時，WS2812_IO驅動燈亮，當INO_IO 口讀到低電平時，WS2812_IO 驅動燈滅。誘捕燈電路通過xh2.54接插件與STM32連接。

圖4 誘蟲燈電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of worm lamp circuit

2.4 蟲害監測模塊電路設計

蟲害監測模塊通過SCCB方式控制ov攝像頭對區域內環境進行監控，拍攝的圖像幀經過k210 的處理，識別并統計害蟲的數據，并通過串口發送到STM32單片機上。

Ov5640 的DVP_D0-DVPD7 引腳是圖像幀數據引腳，分別與k210芯片的M12、M11、M10、M9、M8、M7、M6、M5引腳相連接。DVP_SCL 為SCCB 通信協議提供時鐘信號，DVP_SDA為SCCB通信協議提供數據信號。

監測模塊與STM32 單片機通過串口進行數據的交換。K210 芯片的引腳IO_23、IO_22 復用為串口發送、接收功能，與STM32 片上外設的串口6 K210_RX（PA12）、K210_TX（PA11）連接，STM32 使用K210_TX 發送數據到監控模塊，而監控模塊使用IO_23 口發送數據到STM32。監測模塊與STM32連接原理圖見圖5。

圖5 蟲害監測模塊通訊連接原理圖Fig.5 Schematic diagram of communication connection of pest monitoring module

2.5 云平臺模塊電路設計

云平臺模塊使用GM190，STM32 通過串口2和普通IO口對該模塊進行通訊和控制。GM190模塊與STM32通訊需要4根連接線，GM190的使用接口為RESET、POWER、RXD、TXD，分別對應到STM32 上的（GM190_RESE）PB5、（GM190_POWER）PB4、（GM190_RX）PA3、（GM190_TX）PA2 口。GM190 和STM32連接原理圖見圖6。

圖6 網絡模塊與GM190硬件連接圖Fig.6 Hardware connection between the network module and the GM190

3 集成測試

3.1 整體實物框架

將各模塊連接到STM32 單片機上，分別下載程序燒錄。連接12V 電源后，可以在OLED 屏上看到參數顯示、LCD 屏可以看到攝像頭拍攝到的畫面。具體如下圖7所示：

圖7 實物整體圖Fig.7 Physical master plan

3.2 土壤綜合采集模塊測試

將土壤環境檢測模塊插入泥土中，上電后可在OLED顯示屏第5頁查看到土壤溫度、濕度和pH值，當前監測到的結果分別是S_T 土壤溫度27.1℃、S_H 土壤濕度16.8%、S_pH 值7.9，參數在正常范圍內。土壤環境檢測模塊測試成功圖見圖8。

圖8 土壤綜合傳感器測試狀態及數值圖Fig.8 Test status and numerical diagram of soil integrated sensor

3.3 蟲害監測和光誘捕模塊測試

蟲害監測模塊上電測試，LCD 屏顯示攝像頭拍攝到的環境見圖9，害蟲在攝像頭面前經過時，模塊識別到害蟲種類并在LCD 上框出，同時拍照計數，并將計數結果顯示到OLED上，OLED屏所示的“hc：10”表示由蝗蟲在攝像頭前面經過10次，單位時間內飛過的害蟲量達到誘蟲閾值時（當前為10），誘蟲燈打開。

圖9 光誘捕模塊測試狀態及數值圖Fig.9 Test state and numerical diagram of optical trapping module

4 總結

果園蟲害監測系統采用嵌入式、傳感器、圖像檢測等技術，以STM32為主控，實現了空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、土壤pH 值、蟲害識別和監測等功能，能夠對果園害蟲進行光誘捕，并將實時數據上傳到云平臺，解決了果農們在種植過程中無法監測果樹生長環境而導致種植損失的問題，市場應用前景較為廣闊。