基于物联网技术的农业大棚灯光控制与害虫诱杀系统
2022-05-26蔡绍博张军徐欢蔡绍硕
蔡绍博 张军 徐欢 蔡绍硕
摘 要:基于物联网技术的农业大棚灯光控制与害虫诱杀系统,利用传感器检测温室大棚的光照强度及温湿度数值等环境参数,连接传感器与单片机,通过单片机实现环境终端控制。当光照度数值低于设定的阈值时,单片机通过继电器开启照明灯光與诱虫灯光,为诱虫灯光外围的高压电网供电,达到灭杀害虫的目的。文章介绍了大棚灯光控制与害虫诱杀技术及其设计,以供参考。
关键词:物联网技术;农业大棚;灯光控制;害虫诱杀
文章编号:1005-2690(2022)07-0104-04 中国图书分类号:S477 文献标志码:B
近年来,随着国内外物联网技术、5G通信技术以及IPV6的兴起,利用传感器及传感网络等技术实现农作物生长环境的智能检测已经成为主流。在大规模温室大棚农业中,使用光控等现代科学技术实现高效集约化种植已较为普遍。应用现代智能化农业技术对农业生产加速发展具有重要意义。
1 大棚灯光控制与害虫诱杀技术说明
基于物联网技术实现农业大棚灯光控制与害虫诱杀系统,主要运用传感器环境检测技术、CC2530单片机技术、ZigBee无线网络技术、Cortex-A9嵌入式网关技术、灯光诱虫技术以及害虫灭杀技术。终端通过传感器检测环境参数,传感器是能够感受规定的被测量,并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置,利用物理效应、化学效应、生物效应,把被测的物理量、化学量、生物量等转换成符合需要的电量。传感器通过IO口与单片机连接,将检测到的参数发送到单片机进行数据处理。
CC2530单片机是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的片上系统(SoC)解决方案,能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点,通过RF收发器实现更远距离的ZigBee无线数据传输。CC2530单片机通过IO口接收来自传感器的环境参数,对数据进行数据帧的打包处理,通过ZigBee网络将数据发送到网关的协调器节点。同时,通过对单片机代码的烧录设置环境参数的阈值,实现终端自动控制并设置控制指令,实现远程控制。
ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准,主要用于近距离、复杂度低、功耗低的双向无线通信。通过网关节点的协调器自动建立网络,终端的CC2530单片机扫描并加入网络,双向传输数据。
Cortex-A9嵌入式网关技术是一种新型的物联网网关技术解决方案。Cortex-A9处理器能与其他Cortex系列处理器以及广受欢迎的ARM MPCore技术兼容,因此能够很好地延用包括操作系统/实时操作系统(OS/RTOS)、中间件及应用在内的丰富生态系统,从而减少采用全新处理器所需的成本。通过首次利用关键微体系架构方面的改进,Cortex-A9处理器提供了具有高扩展性和高功耗效率的解决方案。
灯光诱虫技术是指通过昆虫对不同波段光波的趋性不同这一特性,利用不同波段的光谱对昆虫进行分类灭杀。传统的灭虫技术主要通过化学农药对害虫进行灭杀,但农药很难被降解,所以对生态环境的破坏较大。随着药剂使用频率的提高,害虫会产生一定的抗药性,影响农作物的生长。在新型技术不断发展的背景下,更多相关人员通过物理手段防治害虫,减少对环境的污染[1]。
2 大棚灯光控制与害虫诱杀系统设计
2.1 系统总体方案设计
终端节点以单片机为核心,通过连接光照度传感器检测光照度参数,连接温湿度传感器检测温湿度;单片机通过代码进行控制,设置环境参数的阈值,当传感器检测到的参数达到阈值时自动触发控制系统。终端单片机通过ZigBee网络进行数据传输,将终端节点的数据利用Z-stack协议栈传输到协调器节点。协调器通过SPI接口与嵌入式网关连接,将数据发送到嵌入式网关。嵌入式网关以Cortex-A9结构的处理器为网关核心,通过搭载控制触摸屏实现数据的可视化,网关节点向终端节点发送控制指令,实现网关节点对终端设备的控制。同时,利用网关节点的网络通信模块远程发送数据,使用户终端实现远程控制。
硬件设计分为终端灯光控制节点设计、害虫灭杀节点设计和网关节点设计,软件设计为Linux嵌入式软件编程,如图1所示,该系统具备以下功能。
1) 环境光感监测。利用OPT3001传感器检测温室大棚的光照度参数,利用DHT11传感器检测温室大棚的温湿度参数。传感器通过IO口与单片机相连,实现温室大棚光照度参数的采集与传输。
2) 灯光自动控制。灯光的控制根据控制方式分为终端自动控制和远程智能控制;根据灯光的用途分为作物光合灯光控制和诱虫灯光控制。终端自动控制功能通过对终端单片机进行代码烧录,设置光照度参数阈值,当传感器检测到的光照度参数与设置的阈值不匹配时,自动触发单片机对灯光继电器的控制,实现灯光自动控制功能。远程智能控制接收来自用户端的控制命令,终端对协调器接收到的数据进行判断,通过不同的控制指令实现不同的灯光控制功能,实现远程控制。
3) 作物光合灯光控制。当光照度低于一定参数时,单片机自动开启照明系统,也可以通过开发网关节点的嵌入式软件进行智能控制。光强度和湿度主要影响光合作用的光反应,温度影响酶活性主要影响暗反应。通过检测到的温湿度开启最适合植物生长的照明灯光,提高植物的光合作用,以此促进植物生长。诱虫灯光控制通过单片机控制,当光照传感器检测到光照过低时,开启作物光合作用灯光和诱虫灯诱杀害虫。
4) 害虫灭杀功能。通过诱虫灯引诱害虫,然后使用电网将其灭杀。据研究,不同夜行性昆虫对不同波段光波的趋性不同,根据昆虫的这一特性,利用单片机在不同季节及天气开启不同波段灯光引诱害虫。通过高压电网灭杀害虫,在诱虫灯外围加装高压电网,当害虫向诱虫灯趋向性飞行时,触碰到高压电网即可完成对害虫的灭杀。
5) 无线传输功能。由ZigBee终端距离无线传输和Wlan远距离无线通信两部分组成。智能终端节点与网关节之间通过ZigBee无线网络进行无线传输,使用Z-Stack协议栈,实现多个终端节点向网关节点的数据传输;网关节点与云服务器之间通过WiFi网络实现数据的传输,利用SimpleLink CC3200 MCU的WiFi网络处理模块发送数据。
6) 网关控制功能。以Cortex-A9结构的处理器为嵌入式网关的核心,搭载控制触摸屏,通过Linux嵌入式开发进行界面开发和控制操作。网关节点协调器向终端节点发送控制指令,终端节点对指令进行判断,并作出相应的控制操作。
2.2 系统终端节点设计
终端节点以单片机为核心,通过传感器采集环境参数,通过连接继电器控制温室大棚的灯光以及害虫灭杀设备的开关,使用ZigBee通信模块实现数据的无线传输,如图2所示。单片机采用CC2530单片机,主要由CPU和内存、时钟和电源模块、外设以及无线设备组成。CC2530单片机的工作电压在2~3.6 V,电源模块通过电池对整个终端节点供电,摒弃传统的电源布线,整个系统更加简洁。通过传感器模组检测环境参数,光照度传感器检测温室大棚光照度,温湿度传感器检测温室大棚温湿度。
作物照明设备和害虫灭杀设备通过继电器与单片机相连。作物照明設备包括450 nm的蓝光LED和660 nm的红光LED,可控制植物从发芽到营养生长再到开花的整个过程。害虫灭杀设备包括诱虫灯和高压电网,高压电网包裹在诱虫灯的外围。通过对单片机进行代码烧录实现自动控制,单片机根据检测到的光照度判断是否打开照明设备,根据检测到的温湿度自动调节作物照明设备。诱虫灯通过单片机获取到的光照度参数自动开启,根据不同害虫出没的时间段及季节性对单片机进行代码烧录。在对应的时间段开启相应的诱虫灯光,同时开启高压电网,电网由不锈钢方形竖网连接,竖丝直径2 mm,电网电压6 KV±500 V,设有电网过流短路保护装置。当温湿度传感器检测到的空气湿度大于95%时,高压电网自动断电,避免因为空气击穿,造成电路短路以及人体触电。代码通过时钟模块计时,每5 s触发1次环境参数的发送函数,通过ZigBee通信模块无线传输数据,使用Z-Stack协议栈通信,实现多个终端节点向网关节点的数据传输,并且利用RF收发器扩大ZigBee网络的通信范围[2]。
2.3 系统网关节点设计
网关节点的硬件设计由ZigBee协调器和Cortex-A9结构的嵌入式网关两部分组成。以CC2530单片机作为ZigBee网络的协调器节点,通过BSB接口与Cortex-A9网关连接,实现协调器节点的供电,供电电压为2~3.6 V。通过ZigBee通信模块接收来自终端节点的环境参数,将数据发送到8051MCU进行数据处理,然后通过串口将数据发送到Cortex-A9网关。Cortex-A9网关主要由核心处理器、电源模块、时钟模块、复位模块、接口模块、GPRS模块、Wlan模块以及控制触摸屏组成,使用固定电源供电。
Cortex-A9网关采用Samsung Exynos 4412处理器,是一款四核A9架构的设计,4个核心中每个核心的运行频率都有1.4 GHz,最高可达1.6 GHz,运算能力达到2 000 DMIPS。通过接口模块USB接口与协调器进行连接,实现数据传输,获取协调器节点的环境参数。时钟模块具有内部振荡器的40.0 MHz晶振,通过计数器定时触发函数,通过控制触摸屏显示数据,通过Android应用开发显示终端节点的环境参数及向终端节点发送控制指令,使用存储模块存储环境参数。GPRS模块以及Wlan模块实现远程发送,用户可以通过远程设备查看及控制,如图3所示。
2.4 远程控制节点
采用B/S架构,用户端通过网络与网关节点通信,如图4所示。网关节点是一个小型本地服务器,用户端通过访问浏览器,实时获取网关节点的数据,并通过网络实现远程控制,控制终端作物照明设备和害虫灭杀设备的开启。
3 大棚灯光控制与害虫诱杀系统测试
测试过程主要有自动控制功能测试、ZigBee通信测试,害虫灭杀测试以及网关控制测试。
自动控制功能测试使用模拟法测试,通过人工改变环境参数测试终端节点是否会做出相应的调节。对光照度传感进行物理遮盖,当光照度数值降低到设定参数的2 000 Lx时,温室灯光自动开启;对温湿度传感器进行雾溉测试,当空气湿度达到90%时,自动关闭电网供电,测试数据如表1所示。
ZigBee通信误码率测试是指对ZigBee网络终端与协调器之间通信数据进行完整性测试,分别进行有障碍和无障碍通信测试。在空旷环境下有效通信距离为120 m,在有障碍物的环境下通信距离为100 m,测试数据如表2所示。
通过使用不同灯光进行害虫诱杀测试,分别为黑光灯、红光灯、绿光灯、黄光灯,在灯光外围布置高压电网,工作电网电压为6 KV±500 V。测试可得出半翅目昆虫和直翅目昆虫对黑光灯的趋性最强,双翅目昆虫对红光灯趋性最强,同翅目昆虫对黄光灯的趋性最强,鳞翅目昆虫对绿光灯的趋性最强,并且灭杀效果均达到80%以上,测试数据如表3所示。
4 结束语
通过研究传感器技术、CC2530单片机、Cortex-A9嵌入式技术以及害虫的趋光性,完成基于物联网技术的农业大棚灯光控制与害虫诱杀系统。本系统能够根据作物的生长特点自动调节温室大棚的光照强度,可以根据害虫出没的季节及时间段开启对应的诱虫灯光,针对性诱杀害虫。终端实现自动控制后,网关节点可以远程控制,通过触摸屏观测数据及发送控制指令,并且使用B/S架构实现远端控制。
基于物联网技术的农业大棚灯光控制与害虫诱杀系统能通过改变终端节点的检测传感器,分级分层管理获取的空间参数,实现更多的智能控制功能。这足以证明该系统涵盖性高,采用的新方法、新思路不仅可以实现温室大棚环境参数的智能调节和远程操作,还可以广泛运用于其他环境。
参考文献:
[1]于海飞,张爱军.基于MQTT的多协议物联网网关设计与实现[J].国外电子测量技术,2019(11):45-51.
[2]张淑艳,王超,肖萍萍,等.基于Cortex-A9和ZigBee的智能家居控制系统设计[J].产业与科技论坛,2014,13(23):46-47.
(编辑:王雨荷)