基于物联网技术的农作物病虫害自动测报系统

陈光绒 李小琴

摘要：介绍了一种基于ZigBee网络的农作物病虫害自动测报系统。该系统由1个网关、若干终端分机及计算机信息发布系统组成，网关安装有ZigBee模块（协调器）和GPRS模块，利用GPRS接收远端服务器的数据采集或清零指令，并通过ZigBee网络向终端分机采集数据或实现数据清零功能;终端分机安装有ZigBee模块（路由器）和4个诱捕器，每个诱捕器有2路红外传感器，检测进入诱捕器的害虫，并利用ZigBee网络与网关进行数据和信息传递;同时给出了野外的网关和终端机的供电系统。经实际测试，自动测报系统使用简单，可靠性好，自动化程度高，对害虫预报、预警取得了良好的效果，提高了农业管理的科技含量，为推进农业数字化、信息化的发展做了有价值的探索。

关键词：农作物病虫害;ZigBee网络;红外检测;自动测报

中图分类号： TP273 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）04-0406-05

收稿日期：2014-12-10

作者简介：陈光绒（1966—），男，浙江岱山人，硕士，副教授，研究方向为嵌入式系统、无线传感网。Tel：（0574）86891332。

农作物病虫害给农业生产带来了极大的危害，轻则使农产品产量减少、质量下降，重则使局部农地颗粒无收，所以加强农作物病虫害防治具有重要现实意义。目前常用化学、物理机械以及生物技术来防治农作物病虫害。长期以来，人们习惯用喷洒农药的化学方法来解决农作物病虫害问题，由此造成環境污染、土壤板结等生态问题[1]。随着信息技术的发展，数字农业的出现，物联网技术结合物理、生物技术防治病虫害的方法，不仅可以解决农药带来的环境污染问题，而且大大减少了成本，收到了良好效果[2]。性诱剂是采用物理机械的方法诱杀农作物病虫害的一种方法，但目前此方法存在病虫害数目难以统计、人们无法准确掌握病虫害的分布特性等问题。如让技术人员到田间去数诱捕器里的害虫，一方面工作量大，另一方面也不卫生。为此研制了一套基于物联网技术的农作物病虫害自动测报系统，能自动识别农作物病虫害的类型、自动统计病虫害的数量，以及根据这些数据进行预报、预警。

1 系统总体设计方案

系统采用“终端分机（ZigBee路由传感节点）+网关（ZigBee协调器+GPRS）+计算机信息发布系统”的框架[3-4]。框图如图1所示。

其中每个ZigBee终端机连4个诱捕器，在诱捕器中安装传感器，检测病虫害的进入，经数据统计和处理后，将数据显示在分机的面板上。

同时由ZigBee节点组成无线网络，分机和网关组成网络，自定通信协议，将分机相关信息通过无线网络传到网关，由网关转发给计算机采集系统。通过计算机上位机的处理，完成数据清零、采集以及记录号设定等操作，再由计算机信息处理系统完成数据的汇总及分析，并实施短信发送，做出相应的决策[5-6]。

2 硬件设计

2.1 终端分机硬件设计

根据每个终端需要实现的功能，其硬件电路包括：野外电源供给电路（图2-a）、CPU及控制电路、无线传输电路（ZigBee模块）、害虫（红外）检测电路4个部分。其中CPU及控制电路包括稳压电路CPU、LCD显示电路、按键电路（图2-b）。

2.2 终端分机设计

2.2.1 终端分机供电系统设计 终端分机任务是采集所监控点的害虫数量，设备通常固定在野外农田不同位置，采用市电供电难度很大，综合考虑，采用太阳能电池与电瓶配合给终端分机供电方式[7]。为防止太阳能对电瓶的过充和连续工作造成过放而损坏电瓶，因此必须采用充放电控制器，也可以用市场上成熟的太阳能充电控制器，这里不再详细叙述。

2.2.2 终端分机CPU电路及控制电路设计 终端分机的CPU及控制电路内部包括内置稳压电路、CPU电路、LCD显示电路、按键电路。 （1）稳压电路设计。考虑太阳能和电瓶的成本，要求终端分机系统的电流越小越好，因此电源采用DC-DC转换电路，选用TD1583（sop8）芯片，输出电流可达 3 A 时效率为95%，输出电压Uo=（1+R1/R2）×1.222[8]。其电路如图3所示。（2）CPU电路、LCD显示电路、按键电路设计。根据终端分机的功能要求，CPU需要有通信接口、液晶显示接口、按钮接口、红外传感信号接口（2组），因此选择STC15W202S，该芯片工作电压为2.5 V～5 V， 具有很好的抗

干扰能力。为简化用户操作，控制器设置了3个按钮：分别是设置/查看按钮、+1按钮、-1按钮。为降低系统耗电，同时兼顾显示信息，这里采用1602液晶显示模块。具体电路如图4所示。

2.2.3 无线传输电路设计 根据农田监控点距离相对近、监控点多的特点，无线传输采用ZigBee模块，其最大特点是可以自由组网，只要节点配置成路由方式，可以将传输范围覆盖到非常广范围，另外根据ZigBee的ID号和信道，可以组建不同的网络，这给实际应用带来了极大的便利[9]。考虑系统功能以及扩展需要，ZigBee直接采用透传模块，与CPU的串口相连接。基于CPU的5 V供电系统与 ZigBee 的3 V系统不

能直接相连，CPU 的TX端需要分压获得与3 V系统匹配的信号电平[10]，具体电路如图5所示。

2.2.4 害虫诱捕检测电路设计 害虫检测采用光电（红外）检测方式，通过诱捕器结构的特殊设计，使得害虫进入诱捕器时，因阻挡红外光而被检测到，同时为尽量精确测量，设置了相互垂直的1对红外收发系统[11]，如图6所示。

为减少传感器接入系统的能耗，发射时采用间歇发送脉冲方式，也就是每隔300 ms发射1次频率为1 kHz、持续时间为100 ms的脉冲串，通过单片机软件的特殊处理，不影响对害虫的正确计数。另外，在面板操作时间外液晶显示器都处于休眠状态。

通过上述设计，电源的效率为75%，如选用12 V、7 A·h 的电瓶，可用8 d多的时间，能满足系统的要求，而且此电瓶价格较低，也为整个系统设计降低了成本。

2.3 网关部分设计

网关如同终端分机一样置于野外农田，只不过不直接采集害虫，它的任务有2个： 其一是定期向所“管辖”的终端分机采集数据;其二是利用GPRS接收来自远端公司服务器的数据“上传”和“清零”指令，转发给终端分机，并将采集的数据通过GPRS发回到公司服务器。

为降低用户今后维护难度，协调器采用CPU+ZigBee模块+GPRS方式，将这里的ZigBee模块配置成协调器即可，它在系统中起到组织者的作用：首先负责各个终端分机组网，组网完成后负责数据采集与转发。

网关的CPU需要与ZigBee通信，同时又要跟GPRS通信，所以选用STC15W1K32S，该芯片内置3个独立串行通信口，可以完全满足系统的要求，当然第3个串口可以预留给Wi-Fi或其他以后需要扩展的通信[12-13]。

网关部分的结构如图7所示。

具体实现时，CPU的TX端也必须经分压处理与ZigBee的RX相连。

为考虑今后维护方便，GPRS直接采用工业级模块，直接与CPU的串口相连即可，这样可以随意“脱卸”，方便故障判断与维护。

3 软件设计

3.1 终端分机程序设计

终端分机软件需要实现的主要功能有：按键扫描与功能执行、传感信号发送与检测、数据及信息显示、数据通信。软件设计上包括初始化函数、循环执行函数以及中断函数3大部分[14]。 其中初始化部分包括：I/O初始化、定时器初始化、中断初始化、串口初始化、内置EEPROM初始化、LCD初始化。 循环执行部分包括按键扫描、LCD显示、EEPROM写（数据修改后写入）、数据发送（有发送标志时发送）。 中断部分包括传感信号中断、定时器中断、通信中断。

下面就部分函数及功能的实现作一说明：

（1）按键扫描与执行

终端分机内部有1个按键，外部给用户提供3个按钮。

内部按键称为ID键，用来在出厂时给终端分机设定唯一ID号（即身份识别号），ID号包括机器版本号和数字序列，实现过程如下：

按一下此键，内部LED显示灯快闪，此时用专用ID发生器（自己制作）向终端分机发送1组5字节数码，其中包括1字节的数据头、3字节的ID号（4位版本信息，20位数字序列）和1字节的校验码，终端分机接收此数据序列后将ID号存入EEPROM，作为终端分机的唯一身份识别符。

对外给用户提供的按键有3个，分别是设置/查看键、+1键、-1键。

设置/查看键：设置主要是让用户设定终端分机的编号（此编号可以跟捕捉的害虫建立对应关系），按一下此键，进入设置界面，显示机器的编号并处于闪烁状态，此时可以通过+1、-1进行编号设置;查看是让用户查看当前的捕虫数量，同一个页面可以同时显示4个诱捕器的数据，操作时按1次“设置/查看”键进入设置状态，再按1次切换到查看状态，再按后回复正常。

+1键：将闪烁位的数据加1，设置范围为1～999。

-1键：将闪烁位的数据减1，设置范围为1～999。

按键功能执行流程如图8所示。

（2）通信中斷函数

终端分机的串口负责接收ID设置号、网关转发的信息，并根据需要发送数据。其中ID信息设置在按键中已经说明，这里给出数据格式，其余不再重复。

数据格式：数据头（1字节）、ID号（3字节） 、校验（1字节）

另外，终端分机主要任务是处理从网关转发的信息，为确保数据通信可靠，这里指定通信格式：

数据头（1字节）、ID号（3字节） 校验（1字节）

串口中断函数流程如图9所示，其中省略了ID=2、3、4。

3.2 网关软件设计

网关如同终端分机一样置于野外农田，只不过其不直接采集害虫，它的任务有2个： 其一是定期向所“管辖”的终端分机采集数据;其二是利用GPRS接收来自远端公司服务器的数据“上传”和“清零”指令，并将采集的数据通过GPRS发回到公司服务器或向终端分机发送数据清零指令[15]。

（1）接收来自服务器的信息

服务器的数据直接通过GPRS发给网关，数据格式如下：

数据头（1字节）、采集或清零指令（1字节）、终端分机ID号（3字节）、校验（1字节）

其中字节2中的采集用代码01、清零用代码02表示。

终端ID号如果非0，相当于定点采集或清零;如果ID全部为0，相当于广播（全部终端分机都执行）采集或清零指令。

校验是将数据头以外的所有字节“异或”处理，其余检验也如此。

（2）接收来自终端分机的信息

网关接收GPRS指令后，将此数据直接转发给网络内的终端分机，分机接收采集指令后将数据发给网关，数据上传给网关，如果接收的是清零指令，则清零后作应答。

终端分机回传的数据格式如下：

数据头（1字节）、0x01（代表采集）、终端分机ID号（3字节）、终端分机编号（1字节）、诱捕器1数据（2字节）、诱捕器2数据（2字节）、诱捕器3数据（2字节）、诱捕器4数据（2字节）、校验（1字节）

清零后应答数据格式如下：

数据头（1字节）、0x02（代表清零）、终端分机ID号（3字节）、 终端分机编号（1字节）、0x00 校验（1字节）

网关除了数据通信外，另一个主要任务是将定期采集到的数据“依次”存入内部的EEPROM中，根据每个终端分机的数据信息，需要给每个终端分机分配11字节的存储单元，如表1所示。

表1 分机11个字节存储单元

Id3 Id2 Id1 诱捕器1

高字节 诱捕器1

低字节 … 诱捕器4

高字节 诱捕器4

低字节

根据以上结构可以看出，分机号是一个十分关键的数据，知道所要找的分机就能立即找到其所有信息，计算公式如下：

addr=addr0+（number-1）×11;

其中addr是某个分机对应的数据区起始地址，addr0是总的数据区起始地址，number是所找分机自身的编号（1～255）。

同样的，要想获得某个分机（如编号n）的诱捕器1的数据，可以用下面公式找到数据所在的单元地址：

addr_n _h=addr0+（number-1）×11+3;

addr_n_l=addr0+（number-1）×11+4。

其中，addr_n _h是所找编号为n终端分机诱捕器1数据高字节所在的存储单元地址，Addr_n _l是低字节所在的存储单元地址。

4 系统测试与功能验证

启动计算机系统采集软件（计算机采集系统设计在此不作介绍），用户可设定系统的分机编号和目前记录号，按下“确认”键后，进入系统的主界面，系统默认的是COM1口，也可自行设定，其波特率为2 400 b/s。

（1）设置终端分机编号功能测试

软件可根据需要设置当前的记录号，可将记录号设置为1，点击“设置记录号”按钮，则系统自动从1开始依次设置分机记录号，用户可从软件界面中核对是否将某台ZigBee终端分机的记录号修改成1。经测试，能正常设置记录号。

（2）自动采集功能测试

用模拟的办法让某台ZigBee终端分机（如5号）进行计数，当用模拟的办法使第3个诱捕器为3时，在软件可看到4个诱捕器的害虫数分别为0、0、3、0（软件用“节点”表示），记录此数据。

设置“自动采集时间”，比如PM15：00，将计算机的时间修改为PM14：59，待时间到PM15：00时，观察采集的数据。如图10所示，5号分机的数据被采集，经观察，此数据与实际记录的数据一致。

采集后，记录号自动加1，与设计思想一致。

5 总结

本系统设计后，经现场使用测试，数据通信正常，网络稳定性好，系统能比较准确地测量害虫的数量，为害虫预警、预报提供现场第一手数据，为农业管理现代化提供了很好的解决方案。

由于能力有限，本系统还有些不完善的地方，需要不断改进，我们认为在以下几个方面还可进一步研究：

（1）研究一种图像识别的方法，能检测更小的病虫害，检测范围更大[14]。

（2）在距离超过100 m的终端分机之间单独放置路由器，以实现更好的网络全覆盖。

（3）研究数据分析软件，可通过数据得出趋势分析，提供更有效的测报信息，通过网络发送给执行人员和有关职能部门，从而为农业数字信息化做出样板工程[15]。

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